đánh giá khả năng ứng dụng của máy thu nhiều hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu

Đề tài luận văn này đề xuất phương pháp định vị sử dụng kết hợp hai hệ vệ tinh GPS và GLONASS với máy thu tín hiệu GNSS chi phí thấp để nâng cao độ chính xác.. Việc sử dụng giải thuật RT

Trang 1

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY THU NHIỀU HỆ THỐNG

VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Sinh viên thực hiện: Cán bộ hướng dẫn:

Vũ Đình Tú TS Nguyễn Chánh Nghiệm MSSV: 1117945 ThS Trần Nhựt Thanh

Nguyễn Gia Bảo Duy

Trang 2

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÁY THU NHIỀU HỆ THỐNG

VỆ TINH ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Sinh viên thực hiện: Cán bộ hướng dẫn:

Vũ Đình Tú TS Nguyễn Chánh Nghiệm MSSV: 1117945 ThS Trần Nhựt Thanh

Nguyễn Gia Bảo Duy

MSSV: 1117900

Thành viên Hội đồng:

ThS Trần Nhựt Thanh ThS Nguyễn Văn Khanh ThS Nguyễn Huỳnh Anh Duy

Luận văn được bảo vệ tại:

Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn Tự Động Hóa, Khoa Công Nghệ,

Trường Đại học Cần Thơ vào ngày: 23/05/2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

1 Thư viện Khoa Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ

2 Website: http://www.ctu.edu.vn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ

Trang 3

CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: ThS Trần Nhựt Thanh

2 Nội dung:

Cần Thơ, ngày 22 tháng 05 năm 2015

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Trang 4

CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Chánh Nghiệm

2 Nội dung:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Trang 5

CỦA CÁN BỘ HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện: ThS Nguyễn Văn Khanh

2 Nội dung:

CÁN BỘ HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

Trang 6

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện: ThS Nguyễn Huỳnh Anh Duy

2 Nội dung:

CÁN BỘ HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

Trang 7

Trong những thập niên gần đây, công nghệ định vị tọa độ được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như hàng không, giao thông, nông nghiệp, trắc địa và một số ứng dụng khác Tuy nhiên để đạt độ chính xác cao thì giá thành sản phẩm không hề thấp,

vì vậy chúng em chọn đề tài này nhằm đưa ra được một sản phẩm có chính xác và tin cậy tương đối chấp nhận được cho các ứng dụng trong nông nghiệp với giá thành thấp

Trong quá trình thực hiện, do những hạn chế về lý thuyết cũng như kinh nghiệm thực

tế, nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là sự hiểu biết của chúng

em cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Chánh Nghiệm và thầy Trần Nhựt Thanh Chúng em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo luận văn tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Nhóm sinh viên thực hiện

Vũ Đình Tú Nguyễn Gia Bảo Duy

Trang 8

Khoảng thời gian vừa qua là thời gian quý báu nhất khi chúng em được bước chân đến giảng đường đại học Thời gian chúng em ở giảng đường tuy còn gặp nhiều khó khăn thử thách, nhưng cũng chính nơi đây đã tôi luyện cho chúng em những kỹ năng sẵn sàng đối mặt với khó khăn để có được một hành trang vững chắc bước vào đời

Để có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này, ngoài cố gắng của bản thân, chúng

em cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ

Xin gửi lời thành kính nhất đến cha mẹ chúng em Người đã sinh ra và nuôi dạy chúng em đến ngay hôm nay Những người đã đặt nhiều kỳ vọng và niềm tin vào chúng em

Xin cám ơn những mái trường mà chúng em đã từng gắng bó Những nơi giúp chúng em trưởng thành cả trong kiến thức và suy nghĩ Chúng em sẽ ghi nhớ mãi công ơn của quý thầy cô đã dạy dỗ từ ngày đầu đến trường cho đến tận hôm nay

Xin kính gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Công Nghệ - Đại học Cần Thơ đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để chúng em có thể hoàn thành việc học tập một cách thuận lợi nhất

Xin gửi lời cám ơn trân trọng đến thầy Nguyễn Chánh Nghiệm và thầy Trần Nhựt Thanh Những thầy đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ chúng em trong thời gian dài từ lúc bắt đầu thực hiện đến khi hoàn thành

Xin gửi lời cám ơn đến anh Dương Minh Âu - Công ty TNHH Thiết bị xây dựng Bách Khoa đã hỗ trợ dụng cụ và thiết bị giúp việc nghiên cứu được thuận lợi

Xin gửi lời cám ơn đến hội đồng phản biện Cám ơn hội đồng đã chỉ ra những

ưu và khuyết điểm của đề tài Qua đó giúp chúng em khắc phục, phát triển và hoàn thiện đề tài

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến sự góp ý của thầy cô, bạn bè trong suốt khoảng thời gian nhóm thực hiện đề tài

Trang 9

Với sự phát triển mạnh mẽ của các Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System), việc xác định vị trí 3D trên mặt đất trở nên dễ dàng Tuy nhiên, muốn xác định vị trí chính xác đòi hỏi có các máy thu với giá thành rất cao Do đó việc xác định chính xác vị trí với chi phí thấp là một vấn đề đang rất cần thiết nhiều ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam Đề tài luận văn này đề xuất phương pháp định vị sử dụng kết hợp hai hệ

vệ tinh GPS và GLONASS với máy thu tín hiệu GNSS chi phí thấp để nâng cao độ

chính xác Việc sử dụng giải thuật RTK (Real-Time Kinematic) xử lý dữ liệu thu

thập từ các máy thu từ hai hệ vệ tinh GPS/GLONASS đã giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác định vị xuống mức centimet Kết quả ban đầu đạt được cho thấy khả năng ứng dụng của giải pháp này thông qua việc cài đặt giải thuật trên các

hệ máy tính mini như Raspberry Pi để có thể ứng dụng trong thực tế

Từ khóa: Định vị, Kết hợp GPS/GLONASS, Nâng cao độ chính xác

ASBTRACT

With powerful development of Global Navigation Satellite System, finding the 3D position of a certain point on the ground becomes easier However, precision positioning needs high cost GNSS receivers and antennas Therefore, precision positioning with low cost GNSS receivers is necessary for various applications, especially in modern agricultural applications in Vietnam This thesis presents the method of combining GPS and GLONASS with low cost GNSS receivers to enhance

precision Using RTK (Real-Time Kinematic) algorithm to process data collected

from GPS and GLONASS satellite system positioning could be reduced error Thus, positioning precision could be enhanced within centimeter The preliminary experimental results indicate the potential implementing of the RTK algorithm in mini computers such as Raspberry Pi so that it can be used in real-world applications

Keywords: Positioning, Combined GPS/GLONASS, Enhance precision

Trang 10

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG x

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 2

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI 2

1.3.1 Mục tiêu 2

1.3.2 Phạm vi 3

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.4.1 Phương pháp tổng hợp lý thuyết 3

1.4.2 Phương pháp thực nghiệm 3

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TÌM HIỀU VỀ GNSS 5

2.1.1 Tổng quan về GNSS 5

2.1.2 Lịch sử phát triển của GNSS 5

2.1.3 Cơ cấu của một hệ GNSS 6

2.1.4 Hệ thống thời gian 7

2.1.5 Các tín hiệu đo lường GNSS 8

Trang 11

2.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ 15

2.3.1 Sai số đồng hồ vệ tinh 15

2.3.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh 15

2.3.3 Ảnh hưởng của tầng Ion 16

2.3.4 Ảnh hưởng của tầng đối lưu 16

2.3.5 Hiện tượng đa tuyến 16

2.3.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) 17

2.3.7 Sai số thiết bị 19

2.4 HỆ THỐNG GPS 19

2.4.1 Tổng quan về GPS 19

2.4.1 Tín hiệu GPS 21

2.5 HỆ THỐNG GLONASS 23

2.5.1 Lịch sử phát triển và tình hình hiện nay 23

2.5.2 GLONASS hoạt động như thế nào 24

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC 27

2.6.1 Phương pháp sử dụng nhiều máy thu một hệ vệ tinh 27

2.6.2 Phương pháp kết hợp GNSS và INS 27

2.6.3 Phương pháp sử dụng một máy thu nhiều hệ vệ tinh 27

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 29

3.1 PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP GPS VÀ GLONASS 29

3.1.1 Phần mềm hỗ trợ 29

3.1.2 Phương pháp Combined GPS/GLONASS 30

3.2 GIẢI THUẬT 32

3.2.1 Giải thuật RTK 32

3.2.2 Giải thuật PPP 33

3.3 PHẦN CỨNG 34

3.3.1 Ublox LEA-6T 34

Trang 12

3.3.3 Anten 35

3.3.4 Máy tính xử lý 37

3.4 THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG MỘT MÁY THU 37

3.4.1 Chế độ PPP-Static 37

3.4.2 Chế độ PPP-Kinematic 41

3.5 THÍ NGHIỆM SỬ DỤNG HAI MÁY THU 42

3.5.1 Mô tả thí nghiệm 42

3.4.3 Cài đặt cho hai máy thu 44

3.6 HỆ THỐNG GNSS VỚI MÁY TÍNH MINI RASPBERRY PI 48

3.6.1 Giới thiệu và cài đặt 48

3.6.2 Mô tả thí nghiệm 50

3.6.3 Chế độ PPP 50

3.6.4 Chế độ Real Time Kinematic 51

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ 52

4.1 GIẢI THUẬT PPP 52

4.1.1 Kết quả thực nghiệm 52

4.1.2 Nhận xét kết quả 55

4.2 GIẢI THUẬT RTK 55

4.2.1 Kết quả thực nghiệm 55

4.2.2 Nhận xét kết quả 70

4.3 RASPBERRY PI 73

4.3.1 Thí nghiệm trên Raspberry Pi chế độ PPP-Kinematic 73

4.3.2 Thí nghiệm trên Raspberry Pi chế độ RTK 74

4.3.3 Nhận xét 76

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 77

PHỤ LỤC 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

Trang 13

Hình 2.1: Hệ thống các vệ tinh xung quanh trái đất 5

Hình 2.2: Các thành phần của 1 hệ thống GNSS 6

Hình 2.3: Hình ảnh thực tế của vệ tinh 6

Hình 2.4: Cấu trúc tín hiệu GNSS 9

Hình 2.5: Phép đo giả cự ly 10

Hình 2.6: Một vệ tinh và tầm phủ sóng 12

Hình 2.7: Hai vệ tinh và khoảng giao nhau của 2 tín hiệu 12

Hình 2.8: Ba vệ tinh và khoảng giao nhau của 3 tín hiệu 13

Hình 2.9: Xác định vị trí của máy thu khi nhận được tín hiệu của 3 vệ tinh 13

Hình 2.10: Mô phỏng các xách định vị trí một điểm 14

Hình 2.11: Sai số gây ra do quỹ đạo vệ tinh 15

Hình 2.12: Sai số gây ra bởi tầng ion và đối lưu 16

Hình 2.13: Hiện tượng đa tuyến 16

HÌnh 2.14: Tầm nhìn hình học vệ tinh tốt 17

Hình 2.15: Tầm nhìn hình học vệ tinh kém 18

Hình 2.16: Các trạm điều khiển chính của GPS 21

Hình 2.17: Vệ tinh GLONASS thế hệ đầu tiên 23

Hình 3.1: Chương trình RTKLIB 2.4.3 29

Hình 3.2: Giải thuật RTK 32

Hình 3.3: Lea 6T 34

Hình 3.4: NV08C 35

Hình 3.5: Anten GA38 36

Hình 3.6: Anten Trimble Bullet GG 36

Hình 3.7: Anten Ublox ANN-MS-0-005 37

Hình 3.8: Vị trí đặt anten thí nghiệm PPP Static 38

Hình 3.9: Thiết lập ngõ vào cho máy thu NV08C – PPP Static 39

Hình 3.10: Thiết lập ngõ ra cho máy thu NV08C – PPP Static 39

Hình 3.11: Thiết lập Log stream cho máy thu NV08C – PPP Static 40

Hình 3.12: Thiết lập ngõ vào cho máy thu LEA-6P – PPP Static 40

Hình 3.13: Thiết lập ngõ ra cho máy thu LEA-6T – PPP Static 41

Hình 3.14: Thiết lập Log steam cho máy thu LEA-6T – PPP Static 41

Hình 3.15: Quãng đường di chuyển anten thí nghiệm PPP Kinematic 43

Hình 3.16: Vị trí đặt các trạm 43

Trang 14

Hình 3.18: Ngõ vào với máy thu NV08C - Kinematic 44

Hình 3.19: Thiết lập ngõ ra với NV08C - Kinematic 45

Hình 3.20: Thiết lập Log steam với NC08C - Kinematic 45

Hình 3.21: Thiết lập ngõ vào với LEA-6T - Kinematic 46

Hình 3.22: Thiết lập ngõ ra với LEA-6T - Kinematic 46

Hình 3.23: Thiết lập Log Streams với LEA-6T - Kinematic 47

Hình 3.24: Giao diện RTKSVR 47

Hình 3.25: Thiết lập ngõ vào trạm base 47

Hình 3.26: Thiết lập ngõ ra trạm base 48

Hình 3.27: Hình ảnh thực tế và sơ đồ GPIO của Module Raspberry Pi 49

Hình 3.28: Sơ đồ mô phỏng chế độ PPP-Kinematic với Raspberry Pi 51

Hình 3.29: Sơ đồ mô phỏng chế độ RTK với Raspberry Pi 51

Hình 4.1: Kết quả thí nghiệm PPP-Static với máy thu hai hệ vệ tinh 52

Hình 4.2: Kết quả thí nghiệm PPP-Static với máy thu một hệ vệ tinh 53

Hình 4.3: Thí nghiệm PPP-Kinematic với máy thu hai hệ ngày 08/04 53

Hình 4.4: Thí nghiệm PPP-Kinematic với máy thu một hệ ngày 08/04 54

Hình 4.5: Thí nghiệm PPP-Kinematic với máy thu hai hệ ngày 22/04 54

Hình 4.6: Thí nghiệm PPP-Kinematic với máy thu một hệ ngày 22/04 54

Hình 4.7: Thí nghiệm Static với máy thu hai hệ ngày 09/04 56

Hình 4.8: Thí nghiệm Static với máy thu một hệ vệ tinh ngày 09/04 56

Hình 4.9: Thí nghiệm Static với máy thu hai hệ vệ tinh ngày 10/04 57

Hình 4.17: Thí nghiệm Kinematic với máy thu hai hệ vệ tinh ngày 09/04 61

Hình 4.18: Thí nghiệm Kinematic với máy thu một hệ vệ tinh ngày 09/04 61

Trang 15

Hình 4.24: Thí nghiệm Kinematic với máy thu một hệ vệ tinh ngày 09/04 67 Hình 4.25: Thí nghiệm Kinematic với máy thu hai hệ vệ tinh ngày 10/04 68 Hình 4.26: Thí nghiệm Kinematic với máy thu một hệ vệ tinh ngày 10/04 69 Hình 4.27: Thí nghiệm PPP dùng Raspberry Pi với máy thu hai hệ ngày 15/04 73 Hình 4.28: Thí nghiệm PPP dùng Raspberry Pi với máy thu một hệ ngày 15/04 74 Hình 4.29: Thí nghiệm RTK dùng Raspberry Pi với máy thu hai hệ ngày 04/05 75 Hình 4.30: Thí nghiệm RTK dùng Raspberry Pi với máy thu một hệ ngày 29/04 76

Trang 16

Bảng 1.1: Giá thành và độ chính xác của các máy thu 1

Bảng 2.1: Giá trị của t LS 8

Bảng 2.2: Giá trị độ tin cậy DOPs 19

Bảng 2.3: Số hiệu tần số của các kênh 25

Bảng 3.1: Các ứng dụng giao diện GUI và CUI tương ứng trong RTKLIB 50

Bảng 4.1: Điều kiện thời tiết khi làm thí nghiệm PPP 52

Bảng 4.2: Sự chênh lệch sai số giữa các máy thu trong chế độ PPP-Static 55

Bảng 4.3: Điều kiện thời tiết khi làm thí nghiệm RTK 55

Bảng 4.4: So sánh kết quả thí nghiệm Static ngày 9/4/2015 70

Bảng 4.9: Thời gian ổn định và sai số máy thu hai hệ vệ tinh sử dụng RTK 71

Bảng 4.10: So sánh kết quả thí nghiệm Kinematic ngày 9/4/2015 71

Trang 17

Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

System

Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

GLONASS Global Navigation

Satellite System

Hệ thống định vị toàn cầu của Nga

GNSS Global Navigation

Satellite System

Hệ thống định vị bằng vệ tinh toàn cầu

INS Inertial Navigation

Systems

Hệ thống dẫn đường quán tính

IRNSS Regional Navigational

Satellite System

Hệ thống định vị toàn cầu địa phương

Giờ Phối hợp Quốc tế,

GLONASST Global Navigation

Satellite System Time

Hệ thống thời gian của GLONASS

PRN Pseudo Random Noise Giả cự ly

DOPs Dilution Of Precision Sự suy giảm độ chính xác

HDOP Horizontal Dilution Of

Precision

Sự suy giảm độ chính xác 3D

Trang 18

Precision theo phương ngang

VDOP Vertical Dilution Of

Precision

Sự suy giảm độ chính xác theo phương dọc

TDOP Time Dilution Of

Precision

Sự suy giảm chính xác theo thời gian

GDOP Geometric Dilution Of

Kỹ thuật truy cập đa phân chia tần số

ITRF The International

Terrestrial Reference Frame

Khung quy chiếu quả đất quốc tế

RTK Precise Point Positioning

-Real Time Kinematic

Kỹ thuật định vị động thời gian thực

PPP Precise Point Positioning Kỹ thuật định vị chính

xác điểm IMU Inertial Measurement

Unit

Đơn vị đo lường quán tính

Trang 19

dụng hai tần số

dụng một tần số DGPS Different Global

Positioning System

Kỹ thuật định vị GPS sử dụng hai máy thu

DGNSS Different Global

Navigation Satellite System

Kỹ thuật định vị GNSS

sử dụng hai máy thu

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

GPU Graphics Processor Unit Bộ xử lý giao diện

Trang 20

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Hiện nay, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite

System) đang được phát triển và áp dụng trong nhiều lĩnh vực như hàng không, hệ thống dẫn đường, robot tự động, trắc địa, nông nghiệp Ở Việt Nam nói chung và đồng bằng sông Cửu Long nói riêng, các ngành Nông nghiệp và Thủy sản ngày càng được công nghiệp hóa, hiện đại hóa Tuy nhiên, một trong những khó khăn của việc phát triển thiết bị tự động là sự chính xác trong cách xác định vị trí

Với sự phát triển của các hệ thống vệ tinh định vị hiện nay trên thế giới như GPS của Mỹ, GLONASS của Nga, Galileo ở Châu Âu, Beidou của Trung Quốc, đã phủ kín tín hiệu định vị trên toàn cầu Các máy thu tín hiệu vệ tinh cũng được phát triển với nhiều chủng loại và giá cả khác nhau Tuy nhiên các thiết bị định vị có độ chính xác cao hiện nay trên thị trường có giá thành rất cao, không phù hợp với điều kiện hiện nay tại đồng bằng sông Cửu Long So sánh giá các loại máy thu có thể sử dụng các công nghệ đo được liệt kê ở Bảng 1.1:

Bảng 1.1: Giá thành và độ chính xác của các máy thu [1]

Phương pháp định vị Standard Different Kinematic

Vì vậy, đề tài này sẽ cung cấp một giải pháp nâng cao độ chính xác định vị tọa

độ bằng cách sử dụng những máy thu có chi phí thấp, kết hợp nhiều hệ vệ tinh và các giải thuật, giúp tăng độ chính xác qua đó tăng năng suất trong trong sản xuất nông nghiệp, thủy sản

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, khoa học trắc địa và bản đồ được chú trọng hơn, tuy nhiên hầu hết những nghiên cứu đều thiên về xác định độ cao, độ sâu Có rất ít nghiên cứu trong nước tìm hiểu về xác định chính xác vị trí Năm 2008, Bộ Tài Nguyên và Môi Trường có một báo cáo tổng hợp về đề tài xử lý đồng thời dữ liệu đo GPS/GLONASS do Hà Minh Hoà phụ trách [2] Nhưng đề tài này nghiên về lĩnh vực

Trang 21

trắc địa, đo độ sâu, độ cao và thủy chuẩn, chưa đề cập đến vấn đề nâng cao độ chính xác cho hệ thống định vị Nguyễn Tấn Phong nghiên cứu đề tài xử lý số liệu nâng cao

độ chính xác trong bài báo cáo luận văn năm 2011 Nhưng đây là phương pháp xử lý sau, không phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi thời gian thực Tạp chí khoa học Trường Đại học Cần Thơ có đăng bài báo của nhóm tác giả Nguyễn Chánh Nghiệm, Trần Nhựt Thanh và Nguyễn Chí Ngôn đề xuất một phương pháp sử dụng giải thuật RTK

để nâng cao độ chính xác của thiết bị thu GPS giá rẻ [1] Tuy nhiên đề tài này chỉ sử dụng duy nhất một hệ thống vệ tinh GPS do đó sai số còn ở mức decimet

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới có khá nhiều báo cáo khoa học trình bày các phương pháp nâng cao độ chính xác định vị Cơ quan hợp tác Âu Mỹ về định vị vệ tinh (EU-US Cooperation on Satellite Navigation) trình bày phương pháp kết hợp hai hệ vệ tinh GPS và Galileo [3], tuy nhiên ở nước ta, số lượng vệ tinh Galileo máy thu nhận được rất ít, không phù hợp để nghiên cứu Nhóm nghiên cứu của Đại học Vanderbilt, Nashville, TN, USA bao gồm Will Hedgecock, Miklos Maroti, Janos Sallai, Peter Volgyesi, Akos Ledeczi trình bày một phương pháp kết hợp nhiều máy thu sử dụng một hệ vệ tinh GPS [4] Kết quả cho thấy sai số giảm đáng kể, tuy nhiên trong điều kiện số lượng vệ tinh GPS thu được ít, phương pháp này vẫn không mang lại hiệu quả cao Nhóm nghiên cứu trường Đại học Vanderbilt University Nashville và trường Purdue University dùng phương pháp kết hợp nhiều máy thu cùng hệ vệ tinh nhằm nâng cao độ chính xác [5] Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi cơ sở hạ tầng sẵn có như các trạm thu phát tín hiệu địa phương, nhưng ở Việt Nam chưa có, nên phương pháp này không phù hợp

Để phù hợp với điều kiện thời tiết, thiên nhiên và cơ sở hạ tầng tại đồng bằng

sông Cửu Long, chúng em thực hiện đề tài “Đánh giá khả năng ứng dụng của máy thu nhiều hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu” kết hợp hai hệ vệ tinh GPS và

GLONASS để giảm sai số xuống mức hàng centimet trong chế độ RTK

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI

1.3.1 Mục tiêu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng phương pháp nâng cao độ chính xác định vị tọa độ với các máy thu tín hiệu GNSS với chi phí thấp, phù hợp với điều kiện thời tiết, tự nhiên tại đồng bằng sông Cửu Long Do đó cần đạt được những mục tiêu phụ sau:

Trang 22

- Xây dựng các trạm tĩnh, trạm động bằng các máy thu giá rẻ Qua đó tiến hành các thí nghiệm khảo sát định vị tọa độ trong cùng một khung thời gian

- Tìm hiểu và sử dụng các giải thuật xử lý dữ liệu nhằm nâng cao độ chính xác, nhằm giảm sai số trong hệ thống xuống dưới 10cm

- Thu gọn mô hình sản phẩm dùng mini computer Raspberry Pi với mục đích đưa vào các ứng dụng thực tế

1.3.2 Phạm vi

- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát tọa độ của máy thu trong phạm vi khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

- Tiến hành các thí nghiệm trong cùng một khung thời gian cố định

- Tiến hành nghiên cứu và sử dụng hai giải thuật PPP (Precise Point Positioning) và RTK để nâng cao độ chính xác

- Do việc thí nghiệm được thực hiện trong khuôn viên Khoa ở những khu vực trống trãi, khoảng cách giữa trạm cơ sở và trạm động trong giải thuật RTK chỉ cách nhau tối đa 30 mét

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.4.1 Phương pháp tổng hợp lý thuyết

- Nghiên cứu về các hệ thống định vị vệ tinh GNSS: GPS, GLONASS

- Tìm hiểu phương pháp tính toán tọa độ từ tín hiệu của vệ tinh

- Nghiên cứu các phương pháp kết hợp hai hệ vệ tinh GPS và GLONASS

- Nghiên cứu các giải thuật xử lý dữ liệu tọa độ

- Tìm hiểu các máy thu và anten giá thành thấp

1.4.2 Phương pháp thực nghiệm

- Sử dụng công cụ mã nguồn mở RTKLIB 2.4.3 để sử dụng các giải thuật

hỗ trợ để kiểm tra độ chính xác của phương pháp

- Tiến hành các thí nghiệm khảo sát trên cùng một khung thời gian giống nhau

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO

Bài báo cáo được chia làm 5 phần:

- Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài, đồng thời trình bày các nghiên cứu

trước đây ở trong nước và ngoài nước Từ đó nêu ra được mục tiêu và phạm

vi, phương pháp tiến hành để thực hiện đề tài

- Chương 2: Đề cập tới các cơ sở lý thuyết cần có để giải quyết các vấn đề đặt

ra trong luận văn như: các hệ thống định vị vệ tinh GNSS, các công thức toán

Trang 23

học xác định tọa độ, các giải thuật hỗ trợ xử lý dữ liệu, các phương pháp kết hợp GPS và GLONASS

- Chương 3: Bao gồm các nội dung mà nhóm đã nghiên cứu và thực hiện như

mô hình thí nghiệm, các thí nghiệm đã tiến hành, các giải thuật được sử dụng

- Chương 4: Trình bày kết quả nhận được từ các nội dung ở chương 3, từ đó

đưa ra so sánh về các phương pháp, các giải thuật

- Chương 5: Kết luận và đề nghị.

Trang 24

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TÌM HIỀU VỀ GNSS

2.1.1 Tổng quan về GNSS

Trên những quỹ đạo của trái đất có các hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm

vụ cung cấp thông tin định vị từ đó các máy thu giải mã và tính toán ra tọa độ vị trí Khi ở bất kì nơi đâu trên toàn cầu, chỉ cần mang theo một máy thu chuyên dụng có thể thu được tín hiệu của hệ thống vệ tinh thì có thể biết khá chính xác vị trí của mình trên trái đất GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên trái đất và

24 giờ một ngày Đây được gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS

Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ít nhất ba vệ tinh thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó [6].Hiện tại hệ thống GNSS gồm 3 hệ vệ tinh chính đó là GPS, GLONASS, GALILEO và một số hệ vệ tinh vẫn đang được phát triển như BeiDou (Trung Quốc), QZSS (Nhật Bản) và IRNSS (Ấn Độ) Hình 2.1 biểu diễn các vệ tinh xung quanh trái đất

Hình 2.1: Hệ thống các vệ tinh xung quanh trái đất [9]

2.1.2 Lịch sử phát- triển của GNSS

Hệ thống GNSS đầu tiên được Mỹ phóng lên quỹ đạo năm 1978 với tên gọi là GPS (Global Positioning System) và hoàn chỉnh đầy đủ 24 vệ tinh vào năm 1994 [7] Năm 1982 Nga đưa vệ tinh đầu tiên của hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) và hoàn thiện đưa vào hoạt động năm 1993 [8] Hệ thống định vị

Trang 25

Galileo được xây dựng bởi Liên minh châu Âu Galileo khác với GPS của Hoa Kỳ và

GLONASS của liên bang Nga, là một hệ thống định vị được điều hành và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự [9]

2.1.3 Cơ cấu của một hệ GNSS

Hình 2.3: Hình ảnh thực tế của vệ tinh [10]

Trang 26

2.1.3.2 Thành phần điều khiển

Để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào [6]

2.1.3.3 Thành phần người dùng

Bao gồm tất cả mọi người có thiết bị thu chuyên dụng có thể thu được tín hiệu

từ vệ tinh và phân tích cho ra tọa độ và vị trí

2.1.4 Hệ thống thời gian

RTKLIB sử dụng GPST (GPS Time) để xử lý dữ liệu GNSS Hệ thống thời gian của các dữ liệu đầu vào hệ thống khác như UTC (Universal Time Coordinated), GLONASST (GLONASS Time), GST (Galileo System Time) được chuyển đổi về GPST Một trong những lý do để sử dụng GPST là tránh trường hợp xử lý giây đột biến (leap-seconds) UTC là hệ thống thời gian thường được sử dụng nhiều trong các

hệ thống định vị khác nhưng không phải là một hệ thống thời gian liên tục

 GPST và UTC

Sự chuyển đổi giữa GPST và UTC được biểu thị bởi 2 công thức đơn giản sau :

LS UTC GPS

LS GPS UTC

t t

t

t t

là sự chênh lệch giữa 2 hệ thống thời gian Sự chênh lệch này là do sự tích lũy giây đột biến của hệ thống UTC từ 6 tháng 1 năm 1980 Giá trị của t LS được thể hiện trong Bảng Bảng 2.1:

Trang 27

 GLONASST (GLONASS Time)

Hệ thống GLONASS hoạt động sử dụng GLONASST, dựa vào thời gian UTC GLONASST có thể chuyển đổi sang UTC qua công thức:

2.1.5 Các tín hiệu đo lường GNSS

 Cấu trúc của tín hiệu GNSS

Hình 2.4 mô tả cấu trúc một tín hiệu GNSS Một tín hiệu thường có tần

số sóng mang (Carrier), code được điều chế trên sóng mang (Code) và thông tin vị trí (Data) Các code thường được gọi là PRN Code (Pseudo Random Noise)

Trang 28

Hình 2.4: Cấu trúc tín hiệu GNSS [1]

 Phép đo giải cự ly (Pseudorange)

Giả cự ly là khoảng cách từ anten máy thu đến anten vệ tinh bao gồm

sự chênh lệch giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh Ngoài ra còn có thêm các sai số khác như sai số do tầng điện ly, sai số tầng ion Giả cự ly của tín hiệu thứ i: s

i r

P, có thể biển diễn bằng công thức sau:

) (

,

s r

s i

r s

r s i

P,   ( ( )  ( ))  ,   (2.4) Với:

s r

 : là khoảng cách hình học giữa anten máy thu và vệ tinh

s

dt , : lần lượt là sự thay đổi đồng hồ máy thu và vệ tinh

s i r

I , : là sai số gây ra bởi tầng ion

s r

T : là sai số gây ra bởi tầng đối lưu

p

 : là sai số đo lường Phép đo giả cự ly được mô phỏng như Hình 2.5

Trang 29

Hình 2.5: Phép đo giả cự ly

 Phép đo pha sóng mang (Carrier ‐phase)

Phép đo pha sóng mang là phép đo dựa trên tần số sóng mang mà máy thu nhận được từ tín hiệu vệ tinh và tần số tham chiếu thu-phát Pha sóng mang s

))()

(()(

)))((

())

)((

(

)()(

, , 0 , 0 , ,

, ,

0 0 ,

0 , 0 ,

, ,

,

s i r s i i r s

s r

r i

s r i

s

i r

s i r s i s

s s i i r r

r r i s

i r

s i r s s i r i r s

i r

N t

dT t dt

c t t c

N t

t dT t f t

t dt t f

N t t

 (t) là chu kỳ pha tín hiệu truyền đi từ vệ tinh tại thời điểm t

i

r, 0 ,

 là chu kỳ pha ban đầu tín hiệu máy thu nhận được tại t 0

s i

0

 là chu kỳ pha ban đầu tín hiệu vệ tinh truyền đi tại t 0

Độ dài pha sóng mang i s

i r i s r s i r s s r

r s

i

r

i s i r s i i r i s s r

r s

i r i s

i

r

d B T

I t dT t

dt c

N t

dT t

dt c t t c

, ,

, , 0 , 0 , ,

,

)) ( )

( (

) (

)) ( )

( ( ) (

(2.6)

2.2 CÁCH XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN

Các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đều hoạt động trên nguyên tắc tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu dựa trên giả thiết về sự đồng bộ hóa thời gian giữa các vệ tinh và máy thu Các vệ tinh định vị toàn cầu liên tục phát đi các tín hiệu

Trang 30

chứa đựng mã riêng biệt của vệ tinh, thông tin về vị trí và vận tốc của vệ tinh tại thời điểm truyền tín hiệu Ta có công thức:

Quãng đường = vận tốc x thời gian (2.7)

Trên thực tế, chúng ta có thể tính được khoảng cách khi biết thời gian và vận tốc Vậy việc tính toán khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh là hoàn toàn khả thi Theo

lý thuyết, các đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu được đồng bộ hóa, máy thu sẽ có thể tính toán được chính xác thời gian truyền tín hiệu dựa trên thông tin về thời điểm bắt đầu phát tín hiệu trong dữ liệu định vị (navigation data) được phát xuống cho máy thu và thời điểm thu nhận được tín hiệu tại máy thu Một đoạn mã được gọi là PRN

sẽ được chuyển từ vệ tinh đến máy thu Mỗi vệ tinh sẽ có một mã PRN riêng [11] Ở trạm thu sẽ phát đồng thời và so sánh sự chêch lệch giữa hai đoạn code ngay khi tín hiệu được gửi từ vệ tinh Từ đó, có thể xác định được thời gian truyền của tín hiệu từ

vệ tinh đến máy thu Qua đó khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu được tính toán chính xác bằng cách nhân thời gian truyền tín hiệu với tốc độ truyền ánh sáng đã biết (3.108

sẽ gây sai số là 30cm trong giá trị ước lượng của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu [10] Do vậy, sự khác biệt thời gian giữa các vệ tinh và máy thu sẽ được coi như là một ẩn số và được giải cùng với các đại lượng vị trí hoặc vận tốc của máy thu Các máy thu nhận tín hiệu vệ tinh đối với các ứng dụng dân sự là miễn phí, liên tục bảy ngày một tuần, 24 giờ một ngày và không chịu ảnh hưởng nặng nề của thời tiết Để có thể giải ra được tọa độ thì trên lý thuyết máy thu phải có được tín hiêu của

ít nhất 3 vệ tinh, tức là giải được ba ẩn số (Xu,Yu,Zu) tương ứng kinh độ, vĩ độ và cao

độ [11]

Trang 31

Hình 2.6: Một vệ tinh và tầm phủ sóng [11]

Khi thu được tín hiệu của 1 vệ tinh, ta biết được vị trí hiện tại đang nằm trên bề mặt một hình cầu với tâm là vệ tinh đó như Hình 2.6

Hình 2.7: Hai vệ tinh và khoảng giao nhau của 2 tín hiệu [11]

Khi nhận được tín hiệu từ hai vệ tinh, ta biết được vị trí của hiện tại trên một đường elip, là giao nhau của 2 hình cầu có tâm là hai vệ tinh như Hình 2.7

Trang 32

Hình 2.8: Ba vệ tinh và khoảng giao nhau của 3 tín hiệu [11]

Nếu thêm vào vệ tinh thứ 3, ta xác định được vị trí hiện tại là giao nhau của 3 hình cầu có tâm là 3 vệ tinh [12] Vậy ta có thể xác định được vị trí nếu có ít nhất tín hiệu của 3 vệ tinh (2.1, 2.2, 2.3) Hình 2.7 và 2.8 mô tả cách xác định tọa độ khi có tín hiệu của 3 vệ tinh

Hình 2.9: Xác định vị trí của máy thu khi nhận được tín hiệu của 3 vệ tinh [9] Như vậy để giải 3 ẩn số đã đề cập phía trên (Xu,Yu,Zu)ta có 3 phương trình để giải ra tọa độ:

1 2 1 2 1

2 2

Trang 33

r : khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3

1 1

1 ,y ,z

x : tọa độ vệ tinh thứ nhất

2 2

2 ,y ,z

x : tọa độ vệ tinh thứ hai

3 3

3,y ,z

x : tọa độ vệ tinh thứ ba

u u

x , , : tọa độ máy thu cần tìm Tuy nhiên, để có được một vị trí chính xác, phải thực hiện phép đo thời gian rất chính xác Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu trong khoảng 0.7s, với tốc độ 300000km/s Nếu sai lệch 1/1000000 s thì sai số vị trí là 300m Trong trường hợp cơ bản, máy thu cần thu nhận các tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh để có thể xác định được

vị trí của nó [10] Vậy tại sao cần 4 vệ tinh?

Hình 2.10: Ước lượng vị trí một điểm [13]

Gọi là thời gian sai lệch giữa thời máy thu và vệ tinh (Hình 2.10), t0 t thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu Ta có khoảng cách thực tế giữa máy thu

và vệ tinh:

PSR =tt0c=t.ct0.c (2.11)

c t

 : là thời gian sai lệch giữa máy thu và vệ tinh

PSR : là khoảng cách giả cự ly khi có sai số  (Psuedorange) t0

Trang 34

Theo biểu thức2.1, 2.2, 2.3 ta có công thức tổng quát:

u sat u

sat u

Như vậy ta có 4 ẩn số xu, yu, zu,  Vì vậy cần ít nhất 4 phương trình để giải t0

4 ẩn số Vậy ta có thể kết luận cần ít nhất 4 vệ tinh để xác định một cách chính xác tọa độ tại một vị trí [13]

_ 2

Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng

bộ của chúng Trên lý thuyết, các đồng hồ vệ tinh và trạm thu được đồng bộ với nhau, nhưng thực tế là không thể, do đó sẽ có sự sai lệch về thời gian Để khắc phục tối đa sai số của đồng hồ của cả vệ tinh và máy thu, các vệ tinh sẽ nhận tín hiệu điều chỉnh

từ các trạm điều khiền, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát Tuy nhiên sai số có thể lên đến 2m

2.3.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Tọa độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh Người ta sử dụng phải dựa vào lịch thông báo tọa độ vệ tinh mà theo lịch tọa độ vệ tinh có thể bị sai số (Hình 2.11)

Do vệ tinh và trái đất đều di chuyển, từ đó tạo ra một sai số nhất định Khi vệ tinh xác định được vị trí của máy thu và truyền tín hiệu Khi nhận được tín hiệu thì máy thu không còn ở vị trí ban đầu

Hình 2.11 Sai số gây ra do quỹ đạo vệ tinh

Trang 35

2.3.3 Ảnh hưởng của tầng Ion

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển

ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion

2.3.4 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu có độ cao đến 8km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu do chiết suất biến đổi Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS [10] (Hình 2.12)

Hình 2.12 Sai số gây ra bởi tầng ion và đối lưu [10]

2.3.5 Hiện tượng đa tuyến

Hình 2.13 Hiện tượng đa tuyến [10]

Trang 36

Tất cả các máy thu đều tính toán khoảng ngắn nhất đến vệ tinh, nghĩa là tín hiệu di chuyển trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu không bị cản trở hay phản xạ qua vật cản nào Tuy nhiên trong thực tế các tín hiệu bị các đối tượng làm cản trở như nhà cao tầng hoặc các bề mặt đá lớn trước khi nó đi tới máy thu Điều này làm tăng thời gian truyền của tín hiệu [10] Đồng thời, các tín hiệu không truyền trực tiếp đến vệ tinh, chịu khúc xạ từ các vật cản, kết quả là có thể có nhiều tín hiệu đến máy thu Nếu những tín hiệu phản xạ đủ mạnh, chúng có thể gây nhiễu tạo ra độ trễ, sai lệch trong thời gian, dẫn đến sai lệch trong tính toán vị trí Độ sai số do hiện tượng đa tuyến có thể cao tới 10 m, nhưng thường thấp hơn nhiều, có thể là 1m

2.3.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs)

DOP (Dilution of Precision) là sự suy giảm độ chính xác do hình học vệ tinh

Sự sắp xếp của các vệ tinh trong khoảng quan sát của máy thu cũng ảnh hưởng đến

sự tính toán thời gian và vị trí [10] Các khoảng tính toán vị trí từ vệ tinh đến máy thu

có chứa một số nguồn lỗi nhất định

Khi các vệ tinh có khoảng cách xa nhau, các khu vực chồng chéo tín hiệu của của các nguồn lỗi tương đối nhỏ (Hình 2.14) Khu vực này được gọi là “Khu vực mờ” (Area of positional ambiguity)

Hình 2.14 Tầm nhìn Hình học vệ tinh tốt [10]

Khi các vệ tinh gần nhau, sự chồng chéo của các tín hiệu lỗi nhiều hơn, dẫn đến khu vực mờ trở nên rộng hơn (Hình 2.15), làm cho sự tính toán vị trí và thời gian trở nên sai lệch [13]

Trang 37

.Hình 2.15 Tầm nhìn Hình học vệ tinh kém [10]

Có rất nhiều sự suy giảm độ chính xác của các thành phần gọi là DOPs: PDOP, là sự suy giảm độ chính xác, là giảm độ chính xác trong không gian ba chiều theo thời gian

HDOP, là sự suy giảm theo phương ngang, là giảm độ chính xác theo phương ngang hai chiều, giá trị của HDOP thường thấp hơn PDOP vì nó bỏ qua sự sai lệch của phương thẳng đứng

VDOP là sự suy giảm theo phương dọc, là giảm độ chính xác theo phương thẳng đứng

TDOP là sự sai số theo thời gian, sự giảm chính xác đối với thời gian

Các giá trị DOP được xác định dựa trên vị trí của các vệ tinh và người sử dụng Dựa vào biểu thức (2.7) và Hình 2.8 ta có thể xác định được ma trận định vị [13]:

1111

4 4 4

4 4

4

3 3 3

3 3

3

2 2 2

2 2

2

1 1 1

1 1

1

R

z z R

y y R

x x

R

z z R

y y R

x x

R

z z R

y y R

x x

R

z z R

y y R

x x

P

sat sat

sat

sat sat

sat

sat sat

sat

sat sat

sat

u u

u

u u

u

u u

u

u u

34 33 32 31

24 23 22 21

14 13 12 11

D D D D

D 

Các giá trị DOPs được xác định dựa trên ma trận D

Trang 38

GDOP = D11D22D33 D44

(2.20)PDOP = D11D22 D33

(2.24)Một số giá trị DOPs có thể xác định bằng các giá trị DOPs khác

) (

Bảng 2.2: Giá trị độ tin cậy DOPs Chất lượng Giá trị Đáng tin cậy 1 – 3

GPS bao gồm một mạng lưới 24 vệ tinh hoạt động Mạng lưới nàychính thức hoàn thành năm 1993 [7] Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ

Trang 39

tinh GPS được sắp xếp sao cho 4 vệ tinh sẽ nằm cùng nhau trên 1 trong 6 mặt phẳng quỹ đạo Với cách sắp xếp này sẽ có 4 đến 10 vệ tinh được nhìn thấy tại bất kỳ điểm nào trên trái đất

Từ khi phóng vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào năm 1978, đến nay đã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ đầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block 2, thế hệ thứ ba là Block 2A và thế hệ gần đây nhất là Block2R Thế hệ cuối của vệ tinh Block 2R được gọi là Block 2R-M [11] Những vệ tinh thế hệ sau được trang bị thiết bị hiện đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu hơn

Hệ thống GPS có 3 phần cơ bản là phần không gian, phần điều khiển, phần người dùng

Phần không gian gồm có 27 vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên quỹ đạo xung quanh trái đất và gửi tín hiệu liện tục về các trạm ở mặt đất Các vệ tinh chuyển động trong 6 mặt phẳng nghiêng xung quanh trái đất với góc nghiêng 55 độ Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km Chúng chuyển động ổn định chu kỳ 12 giờ với vận tốc 7000 dặm một giờ Một vệ tinh nặng 900kg, duy trì năng lượng hoạt động bằng các tấm pin mặt trời [11]

Phần điều khiển mặt đất nhằm duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có

5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau: giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục, quy định thời gian hệ thống GPS, dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh, cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể [10] Có một trạm điều khiển chính (Master Control Station) ở Colorado Springs bang Colarado của Mỹ và 4 trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm anten mặt đất dùng để cung cấp dữ liệu cho các vệ tinh GPS (Hình 2.16) Gần đây có thêm một trạm phụ ở Cape Cañaveral (bang Florida, Mỹ) và một mạng quân sự phụ được sử dụng để đánh giá đặc tính và dữ liệu thời gian thực Các trạm giám sát theo dõi tất cả các vệ tinh GPS, có thể nhìn thấy chúng tại bất kỳ nơi nào, thu tín hiệu từ các vệ tinh

đó Các thông tin này sau đó được chuyển đến trạm điều khiển chính Ở đó, thông tin

về đồng hồ vệ tinh sẽ được ước tính và dự báo Trạm điều khiển chính sau đó gửi định kì những tín hiệu sửa chữa về vị trí và thời gian phù hợp [9] Sau đó những thông tin sửa chữa này được tải lên các vệ tinh Chuỗi sự kiện này xảy ra với chu kì vài giờ cho mỗi vệ tinh giúp đảm bảo rằng các sai số về vị trí và đồng hồ vệ tinh được hạn chế nhất

Trang 40

Hình 2.16 Các trạm điều khiển chính của GPS [10]

2.4.1 Tín hiệu GPS

Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu Việc phát và thu tín hiệu là cơ sở cho việc đo đạc hệ thống GPS, tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ Sóng điện từ được dùng cho mục đích đo đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cần kỹ thuật khác Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số và các mã điều biến trên sóng mang

Tín hiệu của hệ thống GPS gồm ba thành phần chính: sóng mang (carrier), mã (code), và dữ liệu định vị (navigation data) Các vệ tinh GPS truyền các tín hiệu liên tục dùng 2 tần số trong dải băng L, được gọi là L1 dành cho các ứng dụng dân sự, và L2 dành cho các ứng dụng quân sự Tần số trung tâm của sóng L1 là 1575,42 MHz

và của sóng L2 là 1227,60MHz Hai tần số L1 và L2 được điều chế bằng 2 mã code

là P và C/A Mỗi mã gồm 1 chuỗi số nhị phân 0,1 được gọi là PRN code

 Mã code

Mã C/A Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) được phát đi với tần số 1.023MHz (fo/10) [9] Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000 giây Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A riêng biệt Mã C/A chỉ điều biến trên sóng mang L1

Mã P là mã giả ngẫu nhiên (PNR) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo=10.23MHz Mã này tạo bởi nhiều chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật ngẫu nhiên Tín hiệu lặp lại với tần suất 267 ngày [10] Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn dành riêng cho mục đích vận hành Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh Mã P cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc quân sự có độ chính xác cao Mã P được điều biến trên cả L1 và L2 Ngoài ra mã P được mã hóa thành mã Y và ký hiệu là P(Y)

Mã Y là mã bảo mật của mã P, việc giải mã mã Ychỉ thuộc về người có thẩm quyền, vì vậy khi kích hoạt mã Y thì người dùng sẽ không có khả năng sử dụng cả

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	11,33 MB