Các Giải Thuật Sử Lý Dữ Liệu GPS

MỞ ĐẦU
Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản
xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng
TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo
đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm
đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó
khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác,
đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong
thời gian dài mới thực hiện được. Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch
nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản
đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh
Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc
địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà
nước trên đất liền.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển
rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt
Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt
trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình (
GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS
hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà
nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định
toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ
độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình
đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao
các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử
lý tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm
theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS,
GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE);
GPPS (ASHTECH), v.v và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX
Trắc địa bản đồ xây dựng.
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

I. GIỚI THIỆU CHUNG:
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống
DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống
này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong
những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong
dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy
đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh
chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là
chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các
mục đích khác nhau.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã
đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống
tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS
bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ),
WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị
trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá
cao nhất.
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng
hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến
các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta
có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói
khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được
tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng
lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm),
số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ
0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể
có những tham số khác đang được nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS
SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND
RANGING.

Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không
gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).
I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor
Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển
trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station).
Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường
đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh
theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được
gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh.
Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để
phát cho các máy thu.
I.1.2. Phần không gian (Space Segment):
I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu
kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc
55
o
. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất
đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm
các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn
mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần
số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số
50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ
nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và
"hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết
định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh

ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".
I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất
mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A
(Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được
phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng
hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P
(Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi
ở tần số fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày
này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng
đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là
trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác
nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P.
Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật,
trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng
thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người
không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã
Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y),
trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu
mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 180
0
, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase
sóng mang giữ nguyên không thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát
dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới
người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu

giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.
I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay
và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần
số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu
2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác
dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ
chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn
hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được
trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số
để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS
hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m
và α=1:29825722.
I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
* Phần cứng
* Phần mềm
* Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến
RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động
máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay,
tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,
chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi
hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có
thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương
trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao
cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ
thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương
trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố

như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác.
Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như:
cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau,
hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát
triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị
GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực
giá cả và hiệu suất thiết bị.
I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
* Phần tần số vô tuyến (RF)
* Bộ vi xử lí
* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
* Thiết bị ghi chép
* Nguồn năng lượng
Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc
loại chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như
các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba
chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung
tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.
Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp
số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu
khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp
nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong
khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck

thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác
nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các
trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu
được
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều
điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
II. K
Ỹ
THUẬT
X
Ử
LÝ
D
Ữ
LIỆU
GIỚI THIỆU CHUNG
Trong chương này trình bày rõ ràng quá trình từ khi tín hiệu đến máy thu
đến những quá trình thu thập, xử lý dữ liệu thu thập được tại máy thu một
kênh GPS Trong đó sẽ tập trung vào đi sâu nghiên cứu kỹ thuật xử lý dữ liệu
trong máy thu GPS. Đây là phần cốt lõi của đề tài. Qua nghiên cứu kỹ thuật này,
sẽ đề xuất phư
ơ
ng pháp nâng cao độ chính xác định v
ị
.
III. KỸ THUẬT THU THẬP
Mục đích
Mục đích của thu thập là xác định những vệ tinh nhìn thấy và các giá trị thô
của tần số sóng mang và pha mã của tín hiệu vệ tinh.

IV. KỸ THUẬT THEO DÕI
Mục đích
Mục đích chính của việc theo dõi là lọc lại các giá trị này, theo dõi và giải
điều chế dữ liệu dẫn đường từ vệ tinh xác định và cung cấp tiếp tục cho việc
tính toán về giả cự ly.
V. KỸ THUẬT XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐỂ ĐỊNH VỊ
Kỹ thuật này ñược thực hiện sau khi ñã thu thập dữ liệu và theo dõi mã và
sóng mang, có sơ ñồ khối như hình 3.14.
Hình 3.14 – Sơ đồ khối của quá trình xử lý dữ liệu
1. Khôi phục dữ liệu dẫn đường.
Xác định bit dẫn đường và thực hiện quá trình đồng bộ hóa bit.
2.
Giải mã dữ liệu dẫn đường.
Khi nhận được các bit dẫn đường GPS thông qua quá trình
đồng bộ bit, thì chúng phải được giải mã.
3. Vị trí toàn cầu
Vấn đề đầu tiên trong giải mã dữ liệu dẫn đường GPS là xác định vị trí bắt
đầu của một khung con. Việc tìm kiếm đoạn đầu đư
ợ
c thực hiện thông qua một
sự tương quan.
4. Trích xuất dữ liệu dẫn đường.
Mỗi đoạn đầu chính xác đánh dấu phần đầu của một khung con dữ liệu dẫn
đường. Cần xác ñịnh các thông số: kiểm tra tính chẵn lẻ, thời gian truyền và các
thông số khác.
5. Tính toán v
ị
trí của v
ệ
tinh

Việc liên kết tọa Độ ECEF (X,Y,Z) Đến một vị trí vệ tinh đư
ợ
c mô tả bởi
các thành phần quỹ đạo Keplerian trong không gian.
Tọa độ địa tâm của vệ tinh k tại thời điểm tj là:
6. Tính toán gi
ả
cự ly
Tính toán giả cự ly có thể được chia thành hai phần tính toán. Phương pháp tính toán thứ
nhất là tìm tập giả cự ly ban đầu, và phương pháp tính toán thứ hai là luôn theo dõi các cự ly
sau khi tập thứ nhất được tính toán
7. Tính toán v
ị
trí của máy thu
Dùng phương pháp bình phương tối thiểu
8. Phương trình cự tính ly tuyến
Phương trình cự ly cơ bản cho giả cự ly P
k
từ vệ tinh k đến máy thu i là:
Phân tích và đưa đến phương trình cự ly tuyến tính hoàn ch
ỉ
nh:
9. Dùng phương pháp bình phương tối thiểu
Phương trình quang sát tuyến tính(3.29) được viếc trong công thức vecto là:
Biến đổi phương trình trên theo bài toán bình phương tối thiểu
Ax = b
Một lời giải duy nhất không thể tìm được phương trình trên b
ở
i vì chỉ có một
phương trình mà có đến 4 ẩn số. Phương trình được giải như sau:

10.Chuyển đổi tọa độ.
Thông thường, khi tính toán vị trí vệ tinh được kết quả là một tập các giá
trị X, Y, Z trong hệ tọa độ ECEF (hình 3.20). Tọa độ này cần chuyển đổi thành
tọa độ phù hợp trong hệ tọa độ địa lý hoặc hệ tọa độ UTM đánh giá.
THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÔ
PH
Ỏ
NG
KỸ
THUẬT XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐỂ NÂNG CAO
ĐỘ
CHÍNH XÁC
ĐỊNH
V
Ị
GIỚI
THIỆU CH
Ư
Ơ
NG
Trên cơ sở lý thuyết về quá trình thu thập và xử lý dữ liệu đư
ợ
c nêu ở các
chương trước, chương này sẽ đưa ra các thuật toán cụ thể ñể xác định vị trí của
máy thu GPS hoàn chỉnh cùng với giải pháp cho việc nâng cao độ chính xác định
vị bằng phương pháp lọc giả cự ly.
XÂY
DỰNG
THUẬT TOÁN
Thuật toán định vị của máy thu GPS kênh đơn như hình 4.1

Hình 4.1 – Thuật toán xác định vị trí của máy thu GPS kênh đơn sử dụng: a)
phép đo pha mã,b) Phép đo pha mã và pha sóng mang
1. Hàm xử lý dữ li
ệ
u và
đ
ị
nh v
ị
Thuật toán như hình 4.4.
a) b)
Hình 4.4 – Thuật toán quá trình xử lý dữ liệu và tính toán định vị
2. Tính toán giả cự ly
Hình 4.5 – Thuật toán Hình 4.6 – Thuật toán lọc giả cự ly tính
toán giả cự ly bằng bộ lọc Hatch
3. Tính toán vị trí
Hình 4.7 – Thuật toán tính toán vị trí máy thu
CHƯƠNG
TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QU
Ả
Chương trình
Hình 4.8 – Tín hiệu dữ liệu thu được trong miền thời gian và tần
s
ố
Hình 4.9 các vệ tinh nhìn thấy theo metric
Sai số trong trong trường hợp này (chưa xử lý lọc giả cự ly)
như bảng 4.1.
Bảng 4.1 – Sai số trong ñịnh vị chưa sử dụng bộ lọc giả cự l
y
Hướng

Đ
ông Hướng B
ắ
c Hướng Lên
5m 6m 10m
Hình 4.11 – Hiển thị vị trí máy thu và sai số định vị
K
ế
t qu
ả
và đánh giá
Đánh giá sai số định vị thông qua bảng 4.2 (khi có và không có lọc giả cự ly).
Bảng 4.2 – Bảng so sánh sai số định vị
Sai s
ố
Hướng
Đ
ông
Hư
ớ
ng
B
ắ
c
Hướng lên
Chưa làm nhẵn giả cự ly 5 m 6 m 10
m
Đã làm nhẵn giả cự ly 1 m 1 m
4
m

Hình 4.12 – So sánh vị trí máy thu có và không lọc giả cự l
y
Hình 4.13 So sánh sai số vị trí
VII. Kết Luận