Nghiên cứu phương thức định vị chính xác sử dụng hệ thống gnss lưỡng tần số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Chử Xuân Bách

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC SỬ DỤNG HỆ
THỐNG GNSS LƯỠNG TẦN SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Kỹ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này được hoàn thành sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu các
nguồn tài liệu sách báo chuyên ngành và các thông tin trên mạng ở một số nguồn
đáng tin cậy. Chi tiết tài liệu tham khảo được liệt kê ở cuối luận văn. Tôi xin cam
đoan luận văn này không phải là bản sao chép của bất cứ cơng trình nghiên cứu
cũng như các luận văn trước đây. Nếu sai với những gì đã cảm đoan tơi xin hồn
tồn chịu trách nhiệm.
Hà Nội tháng 9 năm 2014

Chử Xuân Bách

1

LỜI NĨI ĐẦU
Khoa học cơng nghệ ln ln phát triển không ngừng. Những công nghệ
mới đã và đang được phát minh, ứng dụng ngày càng nhiều. Ngày nay, con người
đã tạo ra được các vệ tinh nhân tạo dẫn đường. Các vệ tinh này có thể cho bạn biết
được bạn đang ở đâu, gần đâu nhất và bất cứ điều gì về thời tiết. Cùng với sự ra đời
của hệ thống định vị toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System), con
người có thể dễ dàng xác định vị trí, hướng đi, xây dựng bản đồ phục vụ cho nhiều
mục đích khác nhau.
Định vị điểm chính xác bằng cơng nghệ sử dụng GNSS, hay cụ thể là định vị
điểm chính xác sử dụng GPS, đã được biết tới rộng rãi và được chứng minh là một
ứng dụng quan trọng. Nghiên cứu này sẽ xem xét về định vị điểm chính xác
(Precise Point Positioning- PPP) sử dụng công nghệ GNSS, cụ thể là sự kết hợp mã
GPS/GLONASS lưỡng tần số. Việc kết hợp GPS và GLONASS trong định vị điểm
chính xác dẫn tới việc định vị chính xác hơn và thời gian được cải thiện hơn so với
công nghệ định vị chỉ sử dụng GPS. Em đã chọn luận văn: “NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG THỨC ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC SỬ DỤNG HỆ THỐNG GNSS
LƯỠNG TẦN SỐ”.
Trong quá trình nghiên cứu, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình từ thầy
PGS. TS. Nguyễn Hữu Trung và PGS.TS. Nguyễn Thúy Anh. Em xin được gửi lời
cảm ơn sâu sắc đến thầy và cô!
Hà Nội tháng 9 năm 2014

Chử Xuân Bách

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ......................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ 8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................... 10
1.1 Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 10
1.2 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu............................. 10
1.3 Nội dung chính của luận văn và đóng góp của tác giả ............................................ 11
1.4 Kết luận ................................................................................................................... 11
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG GPS VÀ GLONASS ......................................................... 13
2.1 GNSS....................................................................................................................... 13
2.2 Quan sát GNSS ....................................................................................................... 14
2.2.1 Giả cự ly ............................................................................................................... 14
2.2.2 Pha sóng mang ..................................................................................................... 16
2.2.3 Sự thay đổi tần số Doppler ................................................................................... 16
2.3 Định vị điểm chính xác PPP (Precise Point Positioning) ....................................... 17
2.4 Hệ thống GPS .......................................................................................................... 18
2.5 Hệ thống GLONASS............................................................................................... 20
2.6 Sự hiện đại hóa GPS và GLONASS ....................................................................... 22
2.6.1 Sự hiện đại hóa của GPS ...................................................................................... 22
2.6.2 Sự hiện đại hóa GLONASS ................................................................................. 24
2.7 So sánh giữa GPS và GLONASS............................................................................ 25
2.7.1 Sự khác nhau giữa GPS và GLONASS ............................................................... 25
2.7.2 Hệ thống thời gian ................................................................................................ 27
2.7.3 Hệ thống tọa độ .................................................................................................... 28

3

CHƯƠNG 3: CÁC NGUỒN GÂY LỖI VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TRONG
ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC ..................................................................................... 30
3.1 Giới thiệu................................................................................................................. 30
3.2 Các nguồn lỗi thông thường .................................................................................... 30
3.2.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh và xung đồng hồ .............................................................. 30
3.2.2 Trễ tầng điện ly .................................................................................................... 36
3.2.3 Trễ tầng đối lưu .................................................................................................... 39
3.2.4 Độ lệch xung đồng hồ máy thu: ........................................................................... 41
3.2.5 Nhiễu đa đường và nhiễu đo lường: ..................................................................... 41
3.3 Những nguồn lỗi đặc biệt ........................................................................................ 42
3.3.1 Sai số lệch tâm pha anten vệ tinh và máy thu ...................................................... 42
3.3.2 Phase Wind Up ..................................................................................................... 45
3.3.3 Hiệu ứng tương đối .............................................................................................. 46
3.3.4 Địa triều (Earth tide) ............................................................................................ 47
3.3.5 Sức ép thủy triều (Ocean Tide Loading) .............................................................. 48
3.3.6 Sức ép khí quyển (Atmosphere Loading) ............................................................ 48
3.3.7 Hiệu ứng Sagnac: ................................................................................................. 49
CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH KẾT HỢP ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC GPS VÀ
GLONASS .................................................................................................................... 50
4.1 Giới thiệu................................................................................................................. 50
4.2 Ước lượng lọc Kalman ............................................................................................ 50
4.3 Mơ hình theo dõi PPP GPS ..................................................................................... 53
4.3.1 Mơ hình truyền thống ........................................................................................... 53
4.3.2 Mơ hình UofC ...................................................................................................... 55
4.4 Mơ hình kết hợp PPP GPS và GLONASS .............................................................. 56
4.4.1 Mơ hình truyền thống kết hợp GPS/GLONASS .................................................. 57
4.4.2 Mơ hình UofC kết hợp GPS/GLONASS ............................................................. 61
4.5 Mơ hình thống kê ngẫu nhiên.................................................................................. 63
4.5.1 Mơ hình thống kê ngẫu nhiên của phép đo .......................................................... 63

4


4.5.2 Mơ hình thống kê ngẫu nhiên của các thơng số ................................................... 66
CHƯƠNG 5: SỰ ƯỚC TÍNH VỊ TRÍ, VẬN TỐC, THỜI GIAN ................................ 69
5.1 Sự ước tính vị trí ..................................................................................................... 69
5.1.1 Định vị điểm chuẩn .............................................................................................. 69
5.1.2 Định vị điểm chính xác (PPP) .............................................................................. 69
5.1.3 Nhiễu quan sát ...................................................................................................... 71
5.2 Sự ước tính vận tốc ................................................................................................. 72
5.3 Sự ước tính thời gian ............................................................................................... 73
5.3.1 Thang đo thời gian GPS với thang đo thời gian UTC ......................................... 73
5.3.2 Thang đo thời gian GLONASS với thang đo thời gian UTC .............................. 74
CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CHÊNH LỆCH THỜI GIAN HỆ
THÔNG GPS-GLONASS ............................................................................................. 76
6.1 Giá trị ước lượng của chênh lệch thời gian hệ thống .............................................. 76
6.2 Độ ổn định của chênh lệch thời gian hệ thống GPS-GLONASS............................ 78
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 86

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2- 1: So sánh giữa GPS và GLONASS ............................................................26
Bảng 3- 1: Độ chính xác tọa độ và vận tốc của vệ tinh GLONASS[8] ......................31
Bảng 3- 2: Dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GPS chính xác ......................34
Bảng 3- 3: Dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GLONASS chính xác ...........36
Bảng 3- 4: Lệch tâm pha anten vệ tinh GPS trong dải tham chiếu cố định vệ tinh
(m)[17..........................................................................................................................43

Bảng 3- 5: Lệch tâm pha anten vệ tinh GLONASS trong dải tham chiếu cố định vệ
tinh kể từ ngày 15 tháng 2 năm 2009 (m)[14] .............................................................44
Bảng 6- 1: Các trạm GPS/GLONASS ......................................................................78
Bảng 6- 2: Độ ổn định của chênh lệch thời gian hệ thống (ns).................................83

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2- 1: Ví dụ về sự xác định ∆T ..........................................................................15
Hình 2- 2: Tập hợp GPS với sáu mặt phẳng quỹ đạo ...............................................19
Hình 2- 3: Tập hợp GLONASS với ba mặt phẳng quỹ đạo ......................................21
Hình 2- 4: Sơ đồ tín hiệu GPS hiện đại hóa ..............................................................23
Hình 2- 5: Quy hoạch số lượng có thể của tín hiệu GLONASS ...............................25
Hình 3- 1: Tổ chức IGS .............................................................................................32
Hình 3- 2: Các trạm GPS/GLONASS trên mạng lưới theo dõi IGS .........................33
Hình 3- 3: Lệch tâm pha anten vệ tinh ......................................................................43
Hình 4- 1: Mơ tả hoạt động lọc Kalman ...................................................................53
Hình 6- 1: Chênh lệch thời gian hệ thống được ước lượng với 30 trạm IGS ...........80
Hình 6- 2: Chênh lệch thời gian hệ thống được ước lượng của những máy thu
LEICA GRX1200GPRO ...........................................................................................81
Hình 6- 3: Chênh lệch thời gian hệ thống ước lượng của những máy thu TPS
E_GGD ......................................................................................................................81
Hình 6- 4: Chênh lệch thời gian hệ thống ước lượng của những máy thu JPS
LEGACY ...................................................................................................................82
Hình 6- 5: Chênh lệch thời gian hệ thống ước lượng của những máy thu JPS
E_GGD ......................................................................................................................82

7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Định nghĩa

C/A

Coarse /Acquisition

ECEF

Earth Centered Earth Fixed

ELS

Early/Late Slope

GIM

Global Ionospheric Model

GLONASS

Russian Global Navigation Satellite System

GNSS

Global Navigation Satellite System

GPS

Global Positioning System

IAC

Information Analytical Center

ICD

Interface Control Document

IERS

International Earth Rotation Service

IGS

International GNSS Service

IRM

IERS Reference Meridian

JPL

Jet Propulsion Laboratory

MCS

Master Control Station

NRCan

Natural Resources Canada

PCV

Phase Center Variation

PPP

Precise point positioning

PPS

Precise Positioning Service

PRN

Pseudo Random Noise

RINEX

Receiver Independent Exchange Format

SNR

Signal to Noise Ratio

SPS

Standard Positioning Service

STD

Standard Deviation

TEC

Total Electron Content

UTC

Coordinated Universal Time

WGS72

World Geodetic System 1972

8


WGS84

World Geodetic System 1984

ZWD

Zenith Wet Delay

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Trên quỹ đạo có những hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định vị
trí của những đối tượng trên mặt đất. Bất cứ ai, vật gì trên tồn cầu, khi mang theo
một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vệ tinh này có thể biết được khá chính xác
hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất. Đó là hệ thống vệ tinh dẫn đường tồn
cầu GNSS.
Định vị điểm chính xác sử dụng GPS, đã được biết tới rộng rãi và được
chứng minh là một ứng dụng quan trọng. Nghiên cứu này sẽ xem xét về định vị
điểm chính xác sử dụng công nghệ GNSS, cụ thể là sự kết hợp mã GPS/GLONASS
lưỡng tần số. Việc kết hợp GPS và GLONASS trong định vị điểm chính xác dẫn tới
việc định vị chính xác hơn và thời gian được cải thiện hơn so với công nghệ định vị
chỉ sử dụng GPS.
Em đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỊNH VỊ CHÍNH
XÁC SỬ DỤNG HỆ THỐNG GNSS LƯỠNG TẦN SỐ” đê nghiên cứu.
1.2 Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
1.2.1 Mục đích nghiên cứu:
Cơng nghệ PPP đang tồn tại chỉ sử dụng chỉ GPS, điều này gây khó khăn khi
sử dụng từ một số vị trí như những thành phố núi và những khu vực mỏ lộ thiên vì
sự hạn chế số lượng vệ tinh. Thêm vào đó, vị trí chính xác và thời gian hội tụ của
PPP cần cải thiện hơn. Một chiến lược tốt là hợp nhất GPS và GLONASS.
1.2.2 Đối tượng
Lý thuyết về GPS và GLONASS, mơ hình định vị điểm chính xác kết hợp
GPS và GLONASS, là mơ hình truyền thống kết hợp GPS/GLONASS và mơ hình
UofC kết hợp GPS/GLONAS.
1.2.3 Phạm vi nghiên cứu

Với thời gian và kiến thức có hạn, luận văn chỉ nghiên cứu về mơ hình định
vị điểm chính xác kết hợp GPS và GLONASS.

10


1.3 Nội dung chính của luận văn và đóng góp của tác giả
Chương 1: Tổng quan về đề tài. Giới thiệu kết cấu, bố cục, nội dung của đề
tài.
Chương 2: Hệ thống GPS và GLONASS. Giới thiệu về GNSS, định vị điểm
chính xác và các hệ thống GPS và GLONASS. Cuối cùng là so sánh tổng quát giữa
hai hệ thống GPS và GLONASS.
Chương 3: Các nguồn gây lỗi và phương pháp xử lý trong định vị điểm chính
xác. Giới thiệu các nguồn gây lỗi gây ảnh hưởng đến quá trình định vị chính xác.
Chương 4: Mơ hình kết hợp định vị điểm chính xác GPS và GLONASS.
Giới thiệu tổng quan về phương pháp lọc Kalman. Mơ hình tốn học định vị điểm
chính xác dựa trên GPS và mơ hình kết hợp GPS và GLONASS.
Chương 5: Sự ước tính vị trí, vận tốc, thời gian. Giới thiệu sự ước tính vị trí,
vận tốc, thời gian để giải quyết vấn đề định vị vệ tinh.
Chương 6: Phân tích sự ổn định của chênh lệch thời gian hệ thống GPS và
GLONASS. Phận tích sự chênh lệch thời gian hệ thống là một thông số quan trọng
trong định vị của một máy thu.
1.4 Kết luận
Với đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC SỬ DỤNG
HỆ THỐNG GNSS LƯỠNG TẦN SÔ”, em đã rút ra được những kết luận sau:
Định vị điểm chính xác kết hợp GPS và GLONASS mang lại định vị chính
xác hơn và thời gian được cải thiện hơn
Trong định vị điểm chính xác, phương pháp giảm sai số đóng vai trị quan
trọng để cung cấp những độ chính xác định vị từ dm tới cm. Mặc dù GLONASS có
thể làm theo những mơ hình hiệu chỉnh lỗi giống nhau và những phương pháp giảm

lỗi như GPS cho hầu hết những nguồn lỗi, một vài lỗi cần phải được giải quyết đặc
biệt cho GLONASS như lệch tâm pha anten vệ tinh và những nguồn lỗi phụ thuộc
tần số.

11


Chênh lệch thời gian hệ thống là một thông số quan trọng cho định vị với
máy thu GPS/GLONASS. Chênh lệch thời gian phụ thuộc khá nhiều vào các loại
máy thu vì sự tồn tại sai số nội hệ thống được gây ra bởi trễ phần cứng.

12


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG GPS VÀ GLONASS
2.1 GNSS
GNSS được cấu thành như một trịm sao (một nhóm hay một hệ thống) của
quỹ đạo vệ tinh kết tinh kết hợp với thiết bị ở mặt đất. Trong cùng một thời điểm, ở
một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì
sẽ tính được tọa độ của vị trí đó. GNSS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi
nơi trên trái đất và 24 giờ một ngày. Mỹ là nước đầu tiên phóng lên và đưa vào sử
dụng hệ vệ tinh dẫn đường này. Mỹ đặt tên cho hệ thống này là hệ thống vệ tinh
định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System), ban đầu là để dùng riêng cho
quân sự, về sau mở rộng ra sử dụng cho dân sự trên phạm vi tồn cầu, bất kể quốc
tịch và miễn phí.
Hiện nay, GNSS là tên gọi chung cho 4 hệ thống định vị dẫn đường sử dụng
vệ tinh là GPS (Global Positioning System) do Mỹ chế tạo và hoạt động từ năm
1944, GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) do Nga chế tạo và
hoạt động từ năm 1995, hệ thống GALILEO do liên minh Châu Âu (EU) chế tạo và
hệ thống BeiDou do Trung Quốc thực hiện bắt đầu vào năm 2000. Nguyên lý hoạt

động chung của bốn hệ thống: GPS, GLONASS, GALILEO, BeiDou về cơ bản là
giống nhau.
Một số thông tin cơ bản về bốn hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS,
GALILEO và Beidou:
 GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị tồn cầu do bộ quốc
phịng Mỹ thiết kế và điều hành, thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation
Signal Timing and Ranging Global Positioning System). GPS bao gồm 31 vệ tinh
chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo.
 GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) là hệ thống vệ tinh dẫn
đường tồn cầu, do Liên bang Xơ Viết (cũ) thiết kế và điều hành. Ngày nay, hệ
thống GLONASS vẫn được Nga tiếp tục duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS
bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo.

13


 GALILEO: mang tên nhà thiên văn học Galileo, với mục đích sử dụng dân sự. Việc
nghiên cứu dự án hệ thống Galileo được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999
do 4 quốc gia Pháp, Đức, Italia và Anh. GALILEO được thiết kế bao gồm 30 vệ
tinh (27 vệ tinh hoạt động và 3 dự phòng) chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo.
 Beidou: hệ thống định vị Bắc Đẩu đầu tiên, chính thức được gọi là “Hệ thống thử
nghiệm định vị vệ tinh Bắc Đẩu”, hay được gọi là “Bắc Đẩu 1” bao gồm 3 vệ tinh.
Nó đã được cung cấp dịch vụ chuyển hướng chủ yếu cho các khách hàng ở Trung
Quốc và từ các vùng lân cận từ năm 2000. Thế hệ thứ hai của hệ thống, được gọi là
“Compass” hay “Bắc Đẩu 2”, sẽ là một hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu bao gồm
35 vệ tinh, vẫn còn đang được tạo dựng. Nó đã hoạt động với phạm vi tồn Trung
Quốc trong tháng 12 năm 2011.

2.2 Quan sát GNSS
Quan sát GNSS là các số đo từ vệ tinh mà có thể được sử dụng để ước tính vị

trí, vận tốc, thời gian. Hai quan sát GNSS cơ bản là các phép đo giả cự ly và các
phép đo pha sóng mang mà đại diện cho khoảng cách đo giữa máy thu và vệ tinh có
thể nhìn thấy tương ứng. Một quan sát thứ ba là phép đo sự thay đổi tần số Doppler.

2.2.1 Giả cự ly
Giả cự ly là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu. Máy thu có được khoảng
cách này bằng cách xác định thời gian di chuyển của tín hiệu GNSS từ vệ tinh đến
máy thu, tính khoảng cách bằng cách nhân nó với tốc độ truyền tín hiệu (tốc độ ánh
sáng).
Mỗi vệ tinh sẽ truyền một mã số khác nhau, cho phép máy thu tính tốn thời
gian di chuyển, bằng cách tạo ra một bản sao của mã vệ tinh và tương ứng với các
tín hiệu GNSS đến, bản sao này được chuyển trong thời gian cho đến khi mối tương
quan tối đa thu được, số lượng thời gian chuyển tương ứng với thời gian di chuyển
tín hiệu (∆𝑇), như mơ tả trong hình 2-1

14


Hình 2- 1: Ví dụ về sự xác định ∆𝑻
Giả cự ly được thể hiện như sau:
𝑃 = 𝜌 + 𝑐 ∙ (𝛿𝑡𝑟𝑐𝑣 − 𝛿𝑡𝑠𝑎𝑡 ) + 𝑇𝑑 + 𝐼𝑑 + 𝜖𝑃

(2.2.1)

Trong đó:
𝜌 là khoảng cách giữa vị trí vệ tinh (𝑋𝑠 , 𝑌𝑠 , 𝑍𝑠 ) ở thời điểm truyền tín hiệu và vị trí
máy thu (x,y,z)
𝜌 = √(𝑋𝑠 − 𝑥)2 + (𝑌𝑠 − 𝑦)2 + (𝑍𝑠 − 𝑧)2
𝛿𝑡𝑟𝑐𝑣 độ lệch xung đồng hồ máy thu
𝛿𝑡𝑠𝑎𝑡 độ lệch xung đồng hồ vệ tinh

𝑇𝑑 trễ tầng đối lưu
𝐼𝑑 trễ tầng điện ly
𝜖𝑃 nhiễu đo lường

15

(2.2.2)


2.2.2 Pha sóng mang
Pha sóng mang tượng trưng cho khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh và thu
được bằng cách đếm số lượng các chu kỳ sóng mang trong thời gian truyền tín hiệu
và tính khoảng cách bằng cách nhân nó với bước sóng tín hiệu.
Phép đo pha sóng mang được thể hiện như sau
Ф = λϕ = ρ + c ∙ (δt rcv − δt sat ) + Td − Id + λN + ϵФ

(2.2.3)

Trong đó
𝜌 là khoảng cách giữa vị trí vệ tinh (𝑋𝑠 , 𝑌𝑠 , 𝑍𝑠 ) ở thời điểm truyền tín hiệu và vị trí
máy thu (x,y,z)
𝜌 = √(𝑋𝑠 − 𝑥)2 + (𝑌𝑠 − 𝑦)2 + (𝑍𝑠 − 𝑧)2

(2.2.4)

𝛿𝑡𝑟𝑐𝑣 độ lệch xung đồng hồ máy thu
𝛿𝑡𝑠𝑎𝑡 độ lệch xung đồng hồ vệ tinh
λ là bước sóng tín hiệu sóng mang
N là số ngun pha sóng mang
𝑇𝑑 trễ tầng đối lưu

𝐼𝑑 trễ tầng điện ly
ϵФ nhiễu đo lường
2.2.3 Sự thay đổi tần số Doppler
Sự thay đổi tần số Doppler là sự khác biệt tần số giữa tín hiệu máy thu và tín
hiệu nguồn do hiệu ứng Doppler được gây ra bởi sự chuyển động tương đối giữa
máy thu và các vệ tinh và các phương tiện truyền tín hiệu.
Trong một máy thu GNSS, phép đo sự thay đổi tần số Doppler thường thu
được bằng cách lấy mẫu cài đặt tần số của bộ dao động điều khiển bằng số mà theo
dõi pha của tín hiệu đến.
Phép đo sự thay đổi tần số Doppler được thể hiện như sau:
D = λfd = λϕ̇ = ρ̇ + c ∙ (δṫ rcv − δṫ sat ) + Ṫd − İd + ϵ̇ Ф
Trong đó
𝜌̇ khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu
16

(2.2.5)


𝛿𝑡̇rcv là độ lệch xung đồng hồ máy thu
𝛿𝑡̇sat là độ lệch xung đồng hồ vệ tinh
Ṫd là trễ tầng đối lưu
İd là trễ tầng điện ly
ϵ̇ Ф nhiễu đo lường
Phép đo sự thay đổi tần số Doppler liên quan đến sự chuyển động lẫn nhau
máy thu – vệ tinh, mối quan hệ này có thể được diễn tả như sau
D = λfd = n
⃗ ∙ (v
⃗ sat − v
⃗ rcv ) + c ∙ (δṫ rcv − δṫ sat ) + Ṫd − İd + ϵ̇ Ф

(2.2.6)

Trong đó
𝑛⃗ đại diện cho vecto hướng cosin chỉ từ máy thu (x,y,z) đến vệ tinh (𝑋𝑠 , 𝑌𝑠 , 𝑍𝑠 ), định
nghĩa như sau:
⃗ =(
n

x−Xs y−Ys z−Zs
)
,
,
ρ
ρ
ρ

(2.2.7)

𝛿𝑡̇rcv là độ lệch xung đồng hồ máy thu
𝛿𝑡̇sat là độ lệch xung đồng hồ vệ tinh
Ṫd là trễ tầng đối lưu
İd là trễ tầng điện ly
ϵ̇ Ф nhiễu đo lường
2.3 Định vị điểm chính xác PPP (Precise Point Positioning)
Định vị điểm chính xác PPP với mức chính xác từ dm với cm đã trở thành
hiện thực từ khi tồn tại lịch sao vệ tinh chính xác và sự hiệu chỉnh thời gian từ IGS
(Dịch vụ GNSS toàn cầu) và một vài tổ chức khác. PPP ngày càng được quan tâm
trong định vị GPS nói riêng và định vị nói chung vì: hoạt động đơn giản, lợi ích
kinh tế cao, kết quả định vị chính xác cao và không yêu cầu trạm cơ sở. Dựa vào
quá trình đo lường lưỡng tần số từ máy thu GPS đơn giản, giải pháp định vị tới mức

chính xác cm hay dm có thể đạt được trong mơ hình động và tĩnh. Ví dụ như mức
chính xác hiện tại có thể thực hiện được qua phương pháp định vị vi phân bởi quá
trình theo dõi đồng thời từ hai máy thu gần nhất.

17


Hệ thống PPP cho một ứng dụng tĩnh được giới thiệu đầu tiên bởi Zumberge
et al, (1997). Một mơt hình theo dỗi PPP truyền thống sử dụng kết hợp tuyến tính
giữa theo dõi tự do tầng điện ly và theo dõi pha sóng mang được đưa ra . Kouba và
Héroux giới thiệu cơng nghệ PPP sử dụng mơ hình theo dõi truyền thống một cách
chi tiết. Một sự định vị chính xác mức cm được đưa ra trong mơ hình tĩnh sử dụng
mã không so sánh được và theo dõi pha sóng mang từ máy thu lưỡng tần số[17]. Một
số ít nghiên cứu mở rộng ứng dụng PPP từ mô hình tĩnh sang mơ hình động như từ
xử lý từng giai đoạn sang thời gian thực. Trong số đó, Gao et al (2003,2004) đưa ra
kết quả định vị động tại mức dm và kết quả định vị tĩnh tại mức cm sử dụng một
phương pháp PPP thời gian thực với quỹ đạo vệ tinh chính xác và kết quả định thời
từ Internet. Thêm vào đó, phương pháp PPP đơn tần số được phát triển ở mức chính
xác dm [2][3][4].
Vào những năm gần đây, PPP đã trở thành một công cụ hữu ích cho một số
ứng dụng đo đạc. Mặc dù phương pháp PPP đưa ra những lợi ích to lớn cho rất
nhiều ứng dụng trong khuôn khổ hoạt động mềm dẻo và hiệu năng kinh tế cao, nó
yêu cầu thời gian khởi tạo tương đối dài trước khi một giải pháp định vị đạt được độ
chính xác tối ưu. Thơng thường mất khoảng 20 tới 30 phút cho một giải pháp định
vị để hội tụ tới mức chính xác dm. Thời gian hội tụ gần như phụ thuộc vào nhiều
yếu tố như: số lượng và hình dạng các vệ tinh, môi trường sử dụng và động lượng
học, chất lượng quan sát và tốc độ lấy mẫu. Thêm vào đó, PPP hiện nay chỉ có thể
cung cấp mức chính xác cm trong mơ hình tĩnh và mức chĩnh xác dm trong mơ hình
động. Một sự cải tiến xa hơn của định vị điểm chính xác sẽ rất cần trong một vài
ứng dụng trong tương lai. Sự kết hợp GPS và GLONASS trong PPP được hy vọng

là sẽ cải thiện mức chính xác định vị, mức độ tin cậy và thời gian hội tụ.

2.4 Hệ thống GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu, được
phát triển bởi bộ quốc phòng Mỹ. GPS bao gồm 3 thành phần: trạm không gian,
trạm điều khiển và người dùng. Trạm không gian trên danh nghĩa bao gồm quỹ đạo

18


của 24 vệ tinh tại độ cao xấp xỉ 20200 km tính từ mặt đất. Những vệ tinh này truyền
tín hiệu sóng điện từ tới người sử dụng GPS để xác định vị trí, vận tốc và thời gian
trong thời gian thực hoặc từng quá trình. Vệ tinh GPS được phân bố trong 6 mặt
phẳng quỹ đạo với 4 vệ tinh trong mỗi mặt phẳng. (hình 2-2)

Hình 2- 2: Tập hợp GPS với sáu mặt phẳng quỹ đạo
Sáu mặt phẳng quỹ đạo có độ nghiêng so với mặt phẳng xích đạo xấp xỉ 55
độ. Với mỗi chòm sao, 4 tới 10 vệ tinh GPS có thể bắt được tín hiệu tại bất kì nơi
nào trên thế giới. Nếu nhiều vệ tinh hơn trong quỹ đạo việc bắt được tín hiệu những
vệ tinh sẽ được cải thiện. Tâp hợp GPS hiện tại bao gồm 31 vệ tinh khối
II/IIA/IIR/IIR-M.
Những vệ tinh GPS ban đầu được thiết kế để truyền tín hiệu sóng mang trên
2 tần số: L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Ba loại của mã giả ngẫu nhiên
(PRN) được thiết kế bao gồm mã C/A (Coarse / Acquisition code) với tốc độ 1.023
MHz và chu kỳ mỗi mili giây, mã P (Precision code) với tốc độ 10.23 MHz và chu
kỳ 7 ngày, và mã Y được sử dụng thay thế cho mã P khi mơ hình anti-spoofing (AS) được khởi động. Mã C/A và mã P trong L1 và L2 đều có thể dùng được cho

19

những vệ tinh khối IIR-M, trong khi mã C/A trên L2 không đáp ứng cho những vệ
tinh khối II/IIA/IIR. Mã C/A không hạn chế cho người sử dụng thông thường được
sử dụng trong cơ quan định vị chuẩn (SPS), nơi cung cấp một định vị chính xác
13m (95%) theo chiều ngang và 22m (95%) theo chiều dọc cũng như thời gian di
chuyển với chính xác trong khoảng 40ns (95%). Khơng giống như mã C/A, mã P
chỉ có thể dùng cho quân đội Mỹ, các liên minh quân sự có chọn lọc và chính phủ,
cho dịch vụ định vị chính xác (PPS) với định vị chính xác trong khoảng 10m (95%).
Thêm vào dải tín hiệu, mỗi vệ tinh truyền tín hiệu bản tin định vị bao gồm thành
phần quỹ đạo, hiệu chỉnh định thời, hệ thống thời gian, bản tin trạng thái và những
thơng số khác của nó.
Trạm điều khiển GPS bao gồm 12 trạm giám sát, bốn anten mặt đất và một
trạm điều khiển trung tâm (MCS). Nhiệm vụ của trạm giám sát là theo dõi các vệ
tinh có thể bắt được tín hiệu và thu thập dữ liệu theo dõi. Sau đó, MCS xử lý tín
hiệu này để xác định những quỹ đạo vệ tinh và cập nhật bản tin định vị. Bản tin
định vị sau khi đã được cập nhật thì được truyền tới mỗi vệ tinh thơng qua anten
mặt đất.
Người dùng bao gồm những máy thu GPS và những anten, những thứ có khả
năng được định vị, vận tốc và thông tin thời gian.
Với mỗi sự xác định vị trí, thời gian từ khi tín hiệu được truyền từ vệ tinh
được so sánh với thời gian khi tín hiệu được nhận tại máy thu. Theo sự chênh lệch
thời gian này, khoảng cách giữa máy thu và một vệ tinh được xác định. Từ tọa độ vị
trí của vệ tinh thời gian phát đi trong bản tin định vị, vị trí người dùng có thể được
tính bởi phép đo ba cạnh tam giác.

2.5 Hệ thống GLONASS
Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Nga (GLONASS) là một tập hợp 24 vệ
tinh, nó liên tục truyền những tín hiệu trên hai tần số sóng mang. Tín hiệu vệ tinh có
thể được nhận bởi những người dùng bất cứ nơi đâu trên bề mặt trái đất để xác định
vị trí và vận tốc của họ sử dụng mã giả cự ly và phép đo pha sóng mang.

20


Những vệ tinh GLONASS đầu tiên được phóng vào quỹ đạo năm 1982. Sau
này, một sự thử nghiệm GLONASS được thực hiện để kiểm tra toàn bộ hệ thống.
Hiệu năng của những vệ tinh GLONASS cũng được cải thiện dần. Mặc dù kế hoạch
sơ bộ được lập từ năm 1991 để hoàn thiện hoạt động của hệ thống, sự triển khai
tồn bộ 24 vệ tinh đã khơng thực hiện được trước năm 1996.
Trạm không gian GLONASS bao gồm 24 vệ tinh phân bố trong 3 mặt phẳng
quỹ đạo, mỗi vệ tinh có thể được nhận biết bởi số lượng slot của nó. Ba mặt phẳng
quỹ đạo tạo với nhau một góc 120 độ (hình 2-3).

Hình 2- 3: Tập hợp GLONASS với ba mặt phẳng quỹ đạo
Trạm điều khiển mặt đất GLONASS được đặt trong lãnh thổ Liên bang Xô
Viết cũ. Tương tự như GPS, GLONASS có hệ thống tọa độ và thời gian tham chiếu
riêng của nó. Hệ thống tọa độ GLONASS dựa vào PZ-90 và thang đo thời gian dựa
vào UTC (SU). Khác với GPS, thang đo thời gian GLONASS không liên tục và
phải được điều chỉnh để qua chu kỳ thứ hai.
Tất cả các vệ tinh truyền tín hiệu cho người dùng trên đồng thời hai băng tần
số để sửa lỗi trễ truyền tầng điện ly với phép đo lưỡng tần số. Vì GLONASS sử
dụng cơng nghệ FDMA, mỗi vệ tinh được phân một tần số riêng với mỗi băng tần,
nó sẽ xác định bởi số kênh tần số. Như thế, các máy thu của người dùng có thể nhận

21


biết sự tương ứng của vệ tinh với những tần số khác nhau này. Tuy nhiên, không
phải tất cả các vệ tinh đều có những tần số khác nhau. Hai vệ tinh ở vị trí đối lập
nhau trong cùng một mặt phẳng quỹ đạo thường có cùng tần số truyền tín hiệu.
Những vệ tinh GLONASS điều chế bản tin định vị của chúng tới tần số sóng

mang. Hai điều chế được dùng cho miền này: mã C/A với chip length là 586.7m và
mã P với chip length là 58.67m. Những vệ tinh cũng truyền thông tin như lịch sao
vệ tinh, niên giám và các thông số hiệu chỉnh thời gian của nó. Những lịch sao vệ
tinh được truyền đi được đoán trước trong chu kỳ 24 giờ và tải lên từ trung tâm điều
khiển mặt đất. Mỗi vệ tinh truyền một bộ mới của lịch sao vệ tinh trong mỗi 3 phút.
Niên giám được cập nhật xấp xỉ một lần một ngày. Lịch sao vệ tinh chính xác cũng
được gọi là lịch sao vệ tinh sau xử lý, nó có thể thấy từ IGS hoặc những tổ chức
khác. Quỹ đạo chính xác cuối cùng của GLONASS có sự chính xác 15cm với độ trễ
2 tuần.
2.6 Sự hiện đại hóa GPS và GLONASS
2.6.1 Sự hiện đại hóa của GPS
GPS đạt tới năng lực hoạt động tốt nhất với việc thực hiện một thiết kế gốc
vào năm 1995. Năm 1998, Mỹ bắt đầu một kế hoạch hiện đại hóa GPS vì một số
điểm yếu tồn tại trong hệ thống ví dụ như mã C/A không dùng được trên L2 cho
người dùng thông thường và mã P dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và sự tắc nghẽn. Sự
hiện đại hóa hệ thống GPS đang tồn tại cũng có nguyên nhân là do sự cạnh tranh
với hệ thống định vị vệ tinh Galileo vừa xuất hiện. Chương trình hiện đại hóa bao
gồm thêm vào các trạm mặt đất, thêm một tín hiệu thơng thường thứ hai (L2C),
thêm một tần số thông thường thứ ba (L5), thêm tín hiệu thơng thường thứ tư
(L1C), thêm một tín hiệu mã quân sự (mã M) với tăng cường cơng suất tín hiệu, cải
thiện mức chính xác và tính sẵn sang giải pháp định vị cho tất cả người dùng.
L2C là tín hiệu quảng bá thơng thường trên dải tần số L2 và được truyền bởi
tất cả các vệ tinh khối IIR-M cũng như những vệ tinh được thiết kế sau này. Mục
đích của tín hiệu L2C là để cải thiện mức chính xác định vị và được xem như tín

22


hiệu dư thừa. Ảnh hưởng trực tiếp của hai tín hiệu thông thường trên mỗi vệ tinh
cho phép loại bỏ lỗi trễ truyền sóng tầng điện ly, thứ được xem như là nguồn lỗi lớn

nhất và được làm giảm bởi việc dùng một mơ hình sửa chữa tần điện ly toàn cầu
trong định vị điểm đơn giản. L5 là tần số thông thường thứ ba được mang trên
những vệ tinh GPS khối IIF, L5=1176.45 MHz, được thiết kế để đáp ứng yêu cầu
cải thiện cấu trúc tín hiệu, nâng cao công suất truyền, mở rộng băng tần, trải mã
rộng hơn và tăng hiệu năng. L1C là tín hiệu thơng thường hiện đại hóa tại tần số L1
với hiệu năng định vị tăng mạnh trong mơi trường địi hỏi sự theo dõi, được thiết kế
để có thể tương thích tốt hơn với Galileo L1 cho người dùng thông thường. Mã M là
một tín hiệu quân sự mới được thiết kế để chống lại sự tắc nghẽn tốt hơn so với tín
hiệu mã Y. Khơng giống như mã Y, tín hiệu mã M có thể trực tiếp bị khóa mà
khơng cần khóa ở đầu C/A. Hình 1-4 mơ tả q trình hiện đại hóa của tín hiệu GPS.

Hình 2- 4: Sơ đồ tín hiệu GPS hiện đại hóa

23


Bước đầu tiên của sự hiện đại hóa GPS được thực hiện là loại bỏ tính sẵn
sàng chọn lọc vào ngày 2 tháng 5 năm 2000, cải thiện độ chính xác độc lập tới
khoảng 20m. Vệ tinh GPS khối IIR hiện đại hóa đầu tiên (IIR-M) với L2C được
khởi động vào ngày 26 tháng 9 năm 2005. Hiện tại trong tất cả 31 vệ tinh GPS đang
hoạt động, sáu vệ tinh là vệ tinh khối IIR-M hiện đại hóa. Hai vệ tinh khối IIR-M
cuối cùng sẽ được khởi động vào tháng 8 năm 2009. Sự khởi động của những vệ
tinh GPS khối IIF với tất cả năng lực của L5 được dự định vào tháng 11 năm 2009.
Những vệ tinh khối IIF khác được khởi động vào năm 2010. Dự án hiện đại hóa thế
hệ tiếp theo, GPS khối III với L1C dự kiến khởi động vào năm 2014.
2.6.2 Sự hiện đại hóa GLONASS
GLONASS đạt được năng lực hoạt động tốt nhất với 24 vệ tinh trong tháng 1
năm 1996. Tuy nhiên, tập hợp GLONASS bị giảm 6 vệ tinh vào tháng 11 năm 2001
vì thiếu vốn. Tuy nhiên, chính phủ Nga đã phê chuẩn một chương trinh GLONASS
liên bang trong giai đoạn 2002-2011 để sửa chữa và hiện đại hóa GLONASS vào

ngày 20 tháng 8 năm 2001[5]. Chương trình GLONASS trực tiếp lấy quỹ từ ngân
sách liên bang cho sự sửa chữa hàng năm. Theo chương trình này, tập hợp đầy đủ
24 vệ tinh với năng lực hoạt động tốt nhất sẽ có khả năng thực hiện được. Thêm vào
đó, hiệu năng của GLONASS có thể được so sánh với hiệu năng của GPS vào năm
2010. Kế hoạch hiện đại hóa bao gồm thêm một mã thơng thường thứ hai vào
những vệ tinh GLONASS-M, thêm một tần số thông thường thứ ba vào những vệ
tinh GLONASS-K thế hệ tiếp theo, cập nhật những trạm điều khiển mặt đất và cải
thiện sự xác định quỹ đạo và độ chính xác đồng bộ thời gian. Kế hoạch hiện đại hóa
cũng bao gồm nâng cấp thiết kế và sự chế tạo các thiết bị GLONASS,
GLONASS/GPS, GLONASS/GPS/Galileo cho quân sự và người dùng thơng
thường[6].
Vệ tinh GLONASS-M là phiên bản hiện đại hóa của GLONASS với một vài
tính năng mới, ví dụ như tăng thời gian sống của thiết kế tới 7 năm, thêm vào một
điều biến thứ hai trên dải tần L2, cải thiện hiệu năng định vị, cập nhật tín hiệu radio

24