Thiết kế phát triển thuật toán nâng cao độ chính xác của GPS sử dụng mã sửa sai ở trạm gốc

Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ....................................................................................... 4
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 6
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS ............................................................ 7
1.1

GNSS ................................................................................................................. 7

1.2

GPS .................................................................................................................... 9

1.2.1

Giới thiệu về hệ thống GPS ........................................................................ 9

1.2.2

Cấu trúc của hệ thống GPS ....................................................................... 11

1.2.3

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS ................................................... 15

1.2.4

Tín hiệu GPS ............................................................................................. 16

CHƯƠNG 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ
THỐNG GPS ................................................................................................................ 19
2.1

Sai số quỹ đạo vệ tinh ...................................................................................... 20

2.2

Sai số đồng hồ vệ tinh...................................................................................... 21

2.3

Sai số tầng điện ly............................................................................................ 22

2.4

Sai số tầng đối lưu ........................................................................................... 24

2.5

Sai số do hiệu ứng đa đường ........................................................................... 26

2.6

Sai số gây ra ở máy thu.................................................................................... 27

CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ
THỐNG GPS ................................................................................................................ 28

3.1

Sử dụng máy thu 2 tần số ................................................................................ 28

3.2

Sử dụng mô hình Klobuchar ............................................................................ 30

3.3

Sử dụng dữ liệu từ các trạm IGS ..................................................................... 34

3.4

Sử dụng dữ liệu từ các hệ thống tăng cường SBAS ........................................ 37

CHƯƠNG 4. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS SỬ DỤNG MÃ SỬA SAI
Ở TRẠM GỐC .............................................................................................................. 39

1


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
4.1

Thiết kế module GPS ....................................................................................... 39

4.2

Sử dụng mã sửa sai trong tín hiệu SBAS để giảm sai số của GPS.................. 42

4.2.1

Tín hiệu SBAS .......................................................................................... 42

4.2.2

Mã sửa sai (mã chập) ................................................................................ 43

4.2.3

Đánh giá khả năng sửa sai khi sử dụng mã chập trong tín hiệu SBAS .... 45

4.3

Giải mã các thông tin module GPS thu được .................................................. 49

4.3.1

Giới thiệu về phần mềm U-Center ............................................................ 49

4.3.2

Thu thập các thông tin của module GPS .................................................. 51

4.4

Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly bằng mô hình Klobuchar..................... 52

4.5

Tính toán ước lượng trễ tầng điện ly ............................................................... 54

KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58

2


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CPF: Central Processing Facility
DGPS: Differential Global Positioning System
DSCS: Defense Satellite Communication System
EWAN: EGNOS Wide Area Communication Network
GEO: Geostationary
GIM: Global Ionosphere Map
GNSS: Global Navigation Satellite System
GPS: Global Positioning System
IAAC: Ionosphere Associate Analysic Center
IGS: International GPS Service
IRNSS: Indian Regional Navigation Satellite System
NLES: Navigation Land Earth Station
MCC: Mission Control Center
MEDLL: Multipath Estimasting Delay Lock Loop
MEO: Medium Earth Orbit
MET: Multipath Elimination Technology
PRN: Pseudo Random Noise

PPP: Precise Point Positioning
QZSS: Quasi-Zenith Satellite System
RIMS: Ranging and Integrity Monitoring Station
RTK: Real Time Kinematic
SA: Selective Availability
SBAS: Satellite Base Agumentation System
STEC: Slant Total Electron Content
TEC: Total Electron Content
TOA: Time of Arrival

3


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí của hệ thống GNSS .................................................. 9
Hình 1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS ............................................................................. 11
Hình 1.3 Phân hệ không gian của hệ thống GPS ........................................................... 12
Hình 1.4 Phân hệ điều khiển của hệ thống GPS ............................................................ 13
Hình 1.5 Quá trình cập nhật, hiệu chỉnh lại bản tin dẫn đường ..................................... 14
Hình 1.6 Điều chế tín hiệu GPS ..................................................................................... 17
Hình 1.7 Cấu trúc của bản tin dẫn đường ...................................................................... 18
Hình 2.1 Các yếu tố gây ra sai số cho hệ thống GPS ..................................................... 20
Hình 2.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh ..................................................................................... 21
Hình 2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GPS .......................................... 24
Hình 2.4 Phân loại của trễ tầng đối lưu .......................................................................... 25
Hình 2.5 Hiện tượng đa đường của tín hiệu GPS .......................................................... 26
Hình 3.1 Mô hình Klobuchar ......................................................................................... 31
Hình 3.2 Mạng lưới các trạm IGS .................................................................................. 35

Hình 3.3 Quá trình xử lý dữ liệu từ các trạm IGS.......................................................... 35
Hình 3.4 Bản đồ mật độ electron toàn cầu ..................................................................... 36
Hình 3.5 Mật độ TEC tại trạm Zelenchukskaya ngày 5/8/2016 .................................... 36
Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống SBAS ................................................................................. 38
Hình 3.7 Các hệ thống SBAS trên thế giới .................................................................... 38
Hình 4.1 Module GPS .................................................................................................... 40
Hình 4.2 Module GPS kết nối với máy tính................................................................... 41
Hình 4.3 Các đặc điểm của Ublox Neo 7P .................................................................... 41
Hình 4.4 Đặc điểm của tín hiệu SBAS........................................................................... 42
Hình 4.5 Tham số của mã chập sử dụng trong tín hiệu SBAS ...................................... 43
Hình 4.6 Bộ mã chập ...................................................................................................... 45
Hình 4.7 Mức tín hiệu của các vệ tinh GPS mà máy thu thu được ................................ 46
Hình 4.8 Độ chính xác của module GPS khi sử dụng mã sửa sai .................................. 46
Hình 4.9 Tỷ lệ các mức sai số của module GPS khi sử dụng mã sửa sai ...................... 47

4


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
Hình 4.10 Độ chính xác của module GPS khi không sử dụng mã sửa sai ..................... 47
Hình 4.11 Tỷ lệ các mức sai số của module GPS khi không sử dụng mã sửa sai ......... 48
Hình 4.12 So sánh độ chính xác của module GPS trong trường hợp sử dụng mã sửa
sai và trong trường hợp không sử dụng mã sửa sai........................................................ 49
Hình 4.13 Giao diện của phần mềm U-Center ............................................................... 50
Hình 4.14 Các tham số Klobuchar ................................................................................. 52
Hình 4.15 Thông tin về các vệ tinh GPS........................................................................ 52
Hình 4.16 Phần mềm tính toán ước lượng trễ tầng điện ly ............................................ 53
Hình 4.17 Các tham số Klobuchar ................................................................................. 55
Hình 4.18 Các thông tin về từng vệ tinh GPS ................................................................ 55

Hình 4.19 Trễ tầng điện ly đối với từng vệ tinh GPS .................................................... 56

5


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay các dịch vụ, ứng dụng liên quan tới định vị vị trí và định vị dẫn
đường đang ngày càng phổ biến trong các lĩnh vực của xã hội như hàng không,
hàng hải, giao thông vận tải, quan sát trắc địa. Một trong những hệ thống định vị
được sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất là hệ thống định vị dẫn đường GPS do bộ
quốc phòng Mỹ xây dựng, phát triển và quản lý. Đối với các dịch vụ, ứng dụng
phục vụ cho mục đích dân sự mặc dù bộ quốc phòng Mỹ đã có những hoạt động
nhằm nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS như tắt hiệu ứng SA, phóng thêm
các vệ tinh GPS thế hệ mới lên quỹ đạo nhưng độ chính xác của hệ thống GPS vẫn
chưa đáp ứng được đòi hỏi khắt khe của người sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi
độ chính xác cao. Hiện nay, hệ thống GPS có thể cung cấp độ chính xác 3-5m trong
điều kiện không có vật cản nhưng chừng đó là chưa đủ để đáp ứng yêu cầu của
người sử dụng. Một số ứng dụng hiện nay đòi hỏi độ chính xác cỡ cm, dm nhất là
trong lĩnh vực quan sát, trắc địa. Do vậy, chúng ta cần đưa ra các phương pháp sửa
sai để làm giảm sai số, nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS để đáp ứng các yêu
cầu của người sử dụng.
Luận văn sẽ đi vào tìm hiểu hiện trạng của các hệ thống định vị bằng vệ tinh
GNSS, phân tích các yếu tố gây ra sai số cho hệ thống GPS - một hệ thống đang
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, đưa ra một số các phương pháp sửa sai để cải
thiện và nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS và cuối cùng sử dụng mô hình
thực nghiệm Klobuchar để tính toán ước lượng ra trễ tầng điện ly để giảm ảnh
hưởng của sai số tầng điện ly.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Trần Quang

Vinh – Viện Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã
tạo điều kiện cũng như giúp đỡ tác giả rất nhiều để tác giả có thể hoàn thành luận
văn này. Bạn Nguyễn Trung Thành – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã
giúp đỡ tác giả trong phần thiết kế module GPS.

6


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS
1.1 GNSS
GNSS hay Global Navigation Satellite System là một thuật ngữ chỉ các hệ
thống định vị sử dụng vệ tinh. Nó là một hệ thống bao gồm các vệ tinh di chuyển
xung quanh trái đất trên các quĩ đạo nhất định hay còn được gọi với tên khác là các
chòm sao vệ tinh, các trạm điều khiển đặt dải rác trên bề mặt trái đất và các thiết bị
người dùng thu các tín hiệu vệ tinh phục vụ cho các ứng dụng liên quan tới vị trí,
dẫn đường. Để xác định vị trí của thiết bị người dùng bằng hệ thống định vị vệ tinh,
tối thiểu chúng ta cần phải biết khoảng cách từ thiết bị người dùng tới 4 vệ tinh như
mô tả trên hình 1.1.
Các hệ thống định vị vệ tinh hoạt động được trong mọi điều kiện thời tiết,
liên tục 24h và bao phủ toàn bộ hay một phần rộng lớn bề mặt trái đất. Vì vậy mà
các ứng dụng GNSS khá phổ biến ngày này, chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp các
ứng dụng GNSS trong cuộc sống thường ngày. Trong lĩnh vực hàng không, 100%
các máy bay dân sự đều sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS. Trong
lĩnh vực giao thông, các hệ thống giám sát hành trình, tìm đường, chỉ hướng, điều
khiển giao thông sử dụng GNSS đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc
sống hiện đại ngày nay. Trong lĩnh vực hàng hải, GNSS là công cụ dẫn đường trên
biển lý tưởng. Nó giúp các tàu bè biết được vị trí và xác định được phương hướng
của mình và nó đặc biệt hiệu quả trong các trường hợp tìm kiếm cứu nạn trên biển.

Hiện nay, trên thế giới có khá nhiều các hệ thống GNSS đang và sắp được
đưa vào hoạt động như GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (EU), Compass
(Trung Quốc), IRNSS (Ấn Độ), QZSS (Nhật Bản). Trong đó:
 GPS là hệ thống định vị vệ tinh ra đời đầu tiên trên thế giới. Nó được triển
khai vào năm 1970 bởi bộ quốc phòng Mỹ. Mục đích ban đầu của hệ thống
GPS là phục vụ cho các hoạt động quân sự của quân đội Mỹ. Nhưng sau này
nó mở rộng cung cấp dịch vụ cho cả hoạt động quân sự và dân sự. GPS có
vùng phủ bao trùm toàn bộ bề mặt trái đất.

7


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
 GLONASS là hệ thống định vị được phát triển bới chính phủ Nga.
GLONASS bao gồm 24 vệ tinh. Cũng giống như GPS, GLONASS cũng có
vùng bao trùm toàn bộ bề mặt trái đất.
 Galileo là hệ thống định vị được quản lý bới liên minh châu âu EU. Năm
2006 hệ thống đã tiến hành triển khai đưa 3 vệ tinh đầu tiên lên quĩ đạo vệ
tinh. Tính tới thời điểm hiện nay 8/2016, hệ thống vẫn đang trong thời gian
hoàn thiện và sẽ được đưa vào hoạt động trong một vài năm tới. Khác với
các hệ thống GPS và GLONASS, hệ thống Galileo chỉ phục vụ cho các hoạt
động dân sự.
 Compass là hệ thống định vị của Trung Quốc. Nó gồm có 35 vệ tinh. Hiện
nay hệ thống này mới chỉ bao phủ khu vực Trung Quốc và các vùng lân cận.
Dự kiến hệ thống này sẽ bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất vào năm 2025-2030
[1].
 IRNSS là hệ thống định vị mà Ấn Độ đang phát triển. Nó gồm có 7 vệ tinh,
vùng bao phủ của nó là khu vực Ấn Độ và các khu vực lân cận [1].
 QZSS là hệ thống định vị do Nhật Bản phát triển và quản lý. Hiện tại hệ

thống này mới có 1 vệ tinh được đưa lên quĩ đạo. Dự kiến tới cuối năm 2017,
sẽ có thêm 3 vệ tinh nữa được đưa lên quĩ đạo. Khi hoàn thành hệ thống này
sẽ có 7 vệ tinh. Vùng phủ của hệ thống này là khu vực Đông Á và khu vực
thái bình dương.
Trong các hệ thống GNSS hiện nay, hệ thống GPS là hệ thống đang được sử
dụng phổ biến và rộng rãi nhất trong các mặt của đời sống. Vì vậy, tác giả sẽ đi sâu
vào nghiên cứu tìm hiểu về các đặc điểm của hệ thống này trong các phần tiếp theo
của luận văn.

8


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc

Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí của hệ thống GNSS
( />1.2 GPS
1.2.1 Giới thiệu về hệ thống GPS
GPS hay Global Positioning System là hệ thống định vị xác định vị trí dựa
vào vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do bộ quốc phòng Mỹ thiết kế, phát triển và vận
hành. Hệ thống GPS được biết đến vào những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20,
ban đầu hệ thống GPS chỉ phục vụ cho các mục đích quân sự của quân đội Mỹ. Đến
năm 1980, bộ quốc phòng Mỹ đã cho phép các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân
sự sử dụng hệ thống GPS. Nhưng để đảm bảo các ứng dụng phục vụ cho các mục
đích dân sự không được sử dụng cho các mục đích quân sự, bộ quốc phòng Mỹ đã
kích hoạt chế độ SA với các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự sử dụng GPS,
nhằm làm giảm độ chính xác của hệ thống GPS với các ứng dụng phục vụ cho mục
đích dân sự. Năm 1993, bộ quốc phòng Mỹ đã hoàn thành việc đưa 24 vệ tinh nhân
tạo lên quỹ đạo, dấu mốc đánh dấu sự hoàn thiện của hệ thống GPS, từ thời điểm
này hệ thống GPS có thể cung cấp các dịch vụ của mình tới mọi nơi trên bề mặt trái

đất. Năm 2000, bộ quốc phòng Mỹ đã quyết định tắt chế độ SA với các ứng dụng
9


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
phục vụ cho mục đích dân sự, điều này giúp cho các ứng dụng xác định vị trí sử
dụng GPS phát triển mạnh mẽ và hiện nay nó có mặt trong rất nhiều lĩnh vực của
cuộc sống. Những năm gần đây, độ chính xác của hệ thống GPS liên tục được cải
thiện, hiện tại hệ thống GPS có thể đạt được độ chính xác trong phạm vi 3-5m.
Ngoài ra, hệ thống GPS có thể kết hợp với các hệ thống hỗ trợ khác để giảm các sai
số trong quá trình truyền tín hiệu, nâng cao độ chính xác của hệ thống. Nếu kết hợp
với các hệ thống hỗ trợ hệ thống GPS hoàn toàn có thể đạt được độ chính xác dưới
1m.
Theo thiết kế ban đầu, hệ thống GPS bao gồm 27 vệ tinh nhân tạo, trong đó
24 vệ tinh được dùng để xác định vị trí của thiết bị người dùng, 3 vệ tinh dự phòng
dùng trong trường hợp các vệ tinh dùng để xác định vị trí gặp trục trặc hay trong
trường hợp bảo trì, bảo dưỡng hệ thống. 24 vệ tinh GPS di chuyển trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo, các mặt phẳng quỹ đạo này nghiêng 55 0 so với mặt phẳng xích đạo, 4 vệ
tinh di chuyển trên một mặt phẳng quỹ đạo. Với việc bố trí như trên sẽ đảm bảo
rằng ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất các máy thu GPS cũng có thể nhìn thấy tối
thiểu 4 vệ tinh GPS. Do vậy, chúng ta có thể xác định được vị trí của mình dù ở bất
kỳ vị trí nào trên bề mặt trái đất bằng hệ thống GPS. Để cải thiện độ chính xác của
hệ thống GPS, bộ quốc phòng Mỹ đã tiến hành phóng thêm các vệ tinh GPS lên quỹ
đạo để đo đạc, tính toán các sai số của hệ thống. Tính đến thời điểm 2/2016, hệ
thống GPS đã có tổng cộng 32 vệ tinh, trong đó 31 vệ tinh đang được sử dụng.
Các vệ tinh GPS hoạt động trên các quỹ đạo có độ cao 20200 Km so với bề
mặt của trái đất. Thời gian để các vệ tinh GPS bay hết một vòng quỹ đạo là 11h58
phút. Các tín hiệu GPS được phát quảng bá ở băng tần L1=1575.42 MHz,
L5=1176.45MHz và băng tần L2=1227.6 MHz. Trong đó, băng tần L1, L5 sẽ được

dùng cho các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự, băng tần L2 được dùng cho
các ứng dụng phục vụ cho mục đích quân sự. Ở các phần tiếp theo, chúng ta sẽ đi
vào cụ thể xem hệ thống GPS có cấu trúc như thế nào, nguyên lý hoạt động ra sao,
các tín hiệu được truyền đi như thế nào.

10


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
1.2.2 Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính là phân hệ không gian, phân hệ
điều khiển và phân hệ người dùng như mô tả ở hình 1.2. Trong đó, phân hệ không
gian là các hoạt động của các vệ tinh trên quĩ đạo, phân hệ điều khiển là các trạm
mặt đất liên quan tới quá trình giám sát, điều khiển hệ thống, phân hệ người dùng là
các thiết bị thu tín hiệu GPS bao gồm cả lĩnh vực quân sự và dân sự.

Hình 1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS
(Ublox, 2007)

a. Phân hệ không gian
Phân hệ không gian của hệ thống GPS bao gồm 32 vệ tinh bay vòng quanh
trái đất trên 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau. Trong đó có tối thiểu 4 vệ tinh bay trên
cùng một mặt phẳng quỹ đạo như mô tả trong hình 1.3. Quỹ đạo của các vệ tinh
GPS là hình ellipse có độ lệch tâm rất nhỏ 0.02 vì vậy trông nó gần giống với hình
tròn, độ dài bán trục lớn xấp xỉ 26600 Km gấp khoảng 4 lần bán kính trái đất và
nghiêng 55 o so với đường xích đạo [4]. Quỹ đạo của các vệ tinh GPS có độ cao so
với bề mặt trái đất là 20200 Km, do đó nó thuộc quỹ đạo MEO. Các vệ tinh chuyển

11

Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
động trên quỹ đạo vệ tinh với vận tốc là 3.9 Km/s, nó mất 11h58 phút để hoàn thành
hết 1 vòng quỹ đạo. Do quá trình tự quay của trái đất nên vệ tinh sẽ trở vệ vị trí xuất
phát ban đầu của nó ở trên bề mặt trái đất sau 23h56 phút. Với thiết kế như vậy sẽ
giúp cho các máy thu GPS ở tại một điểm bất kỳ nào trên bề mặt trái đất luôn nhìn
thấy được tối thiểu 4 vệ tinh với góc ngẩng lớn hơn 15 o . Phân hệ không gian của hệ
thống GPS có thể thay đổi trong một số trường hợp như bảo trì, bảo dưỡng hệ
thống, thực hiện giám sát đặc biệt một vùng hay một khu vực nào đó.

Hình 1.3 Phân hệ không gian của hệ thống GPS
(Ublox, 2007)

b. Phân hệ điều khiển
Phân hệ điều khiển của hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới các thiết bị
mặt đất được đặt dải rác trên bề mặt trái đất để thực hiện nhiệm vụ giám sát hoạt
động của các vệ tinh GPS. Mạng lưới này sẽ tiến hành quan sát, thực hiện các phân
tích đánh giá về các tín hiệu GPS cũng như quá trình truyền tín hiệu GPS từ các vệ
tinh tới các thiết bị máy thu, từ đó có những hiệu chỉnh tới các vệ tinh GPS để hệ

12


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
thống hoạt động tốt hơn. Hiện nay, phân hệ điều khiển của hệ thống GPS bao gồm
có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado, một trạm điều khiển trung tâm
dự phòng đặt tại California, 11 Antennas thực hiện việc giám sát, điều khiển và gửi

các thông tin cần thiết tới cho các vệ tinh và mạng lưới gồm 15 trạm quan sát như
mô tả trên hình 1.4.

Hình 1.4 Phân hệ điều khiển của hệ thống GPS
( />Trạm điều khiển trung tâm giữ vai trò quan trọng trong phân hệ điều khiển
của hệ thống GPS, nó là trung tâm xử lý các dữ liệu thu được, nó chịu trách nhiệm
giám sát, quản lý hoạt động của các vệ tinh GPS. Nó đảm nhiệm các nhiệm vụ như
là điều khiển các vệ tinh bay đúng quỹ đạo, thiếp lập hệ thống các vệ tinh dự phòng,
thường xuyên cập nhật bản tin dẫn đường, trạng thái tình trạng của các vệ tinh và
các hoạt động bảo trì, sửa chữa hệ thống. Các trạm giám sát sẽ tiến hành theo dõi
toàn bộ các vệ tinh GPS trong tầm nhìn của mình và tiến hành tổng hợp các thông
tin về các vệ tinh đó rồi gửi nó tới trạm điều khiển trung tâm. Các thông tin đó sau
đó sẽ được trạm điều khiển trung tâm phân tích và xử lý. Các dữ liệu sau khi xử lý
sẽ được cập nhật tới cho các vệ tinh một cách định kỳ thông qua các trạm Antennas

13


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
mặt đất để các vệ tinh dựa vào đó hiệu chỉnh lại bản tin dẫn đường. Quá trình cập
nhật, hiệu chỉnh lại bản tin dẫn đường được mô tả trong hình 1.5. Việc trao đổi
thông tin giữa trạm điều khiển trung tâm với các trạm quan sát và các trạm Antenna
mặt đất được thực hiện bởi hệ thống DSCS [12].

Hình 1.5 Quá trình cập nhật, hiệu chỉnh lại bản tin dẫn đường
(Navstar Global Positioning System Program Office Navstar Seminars, 1996)
c. Phân hệ người dùng
Phân hệ người dùng của hệ thống GPS chính là các thiết bị thu các tín hiệu
GPS được phát đi từ các vệ tinh GPS, sau đó tiến hành giải mã, tính toán các tham

số trong bản tin dẫn đường. Từ đó đưa ra các tham số mà người dùng quan tâm như
vị trí, vận tốc, thời gian chính xác tại thời điểm đo đạc. Thông thường một thiết bị
thu tín hiệu GPS bao gồm một antenna, một bộ xử lý, một bộ đếm thời gian có độ
chính xác cao, một số thiết bị có thêm màn hình hiển thị để hiển thị các thông tin
mà người dùng quan tâm.
Tính đến thời điểm hiện tại, phân hệ người dùng của hệ thống GPS bao gồm
hàng triệu các thiết bị thu các tín hiệu GPS phục vụ cho cả mục đích dân sự và quân
sự. Với mục đích quân sự, các thiết bị thường được tích hợp trong các máy bay
chiến đấu, bom, tàu ngầm, tàu chiến, tên lửa và các loại vũ khí trang bị cho quân đội
nhất là các loại vũ khí công nghệ cao. Còn với mục đích dân sự, chúng ta có thể dễ
14


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
dàng bắt gặp các thiết bị này trong các hệ thống điều hướng, dẫn đường trong các
lĩnh vực giao thông, hàng không, hàng hải. Ngoài ra, rất nhiều các smart phone hiện
nay đều được trang bị các thiết bị thu GPS để phục vụ cho các ứng dụng liên quan
tới vị trí và chỉ đường.
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Hệ thống GPS dựa vào khoảng cách từ máy thu tới các vệ tinh GPS để xác
định ra vị trí của máy thu. Vị trí của một máy thu sẽ được xác định bởi các tham số
(x,y,z,T). Trong đó, x là kinh độ của máy thu, y là vĩ độ của máy thu, z là cao độ
của máy thu, T là thời điểm định vị. Do đó, để xác định được vị trí của máy thu thì
hệ thống GPS cần biết tối thiểu khoảng cách từ máy thu tới 4 vệ tinh GPS như thể
hiện tại biểu thức 1.1 [4].

P1  ( x1  x) 2  ( y1  y ) 2  ( z1  z ) 2  c.(t  t1 )
P2  ( x2  x) 2  ( y2  y ) 2  ( z2  z ) 2  c.(t  t2 )
P3  ( x3  x) 2  ( y3  y ) 2  ( z3  z ) 2  c.(t  t3 )

(1.1)

P4  ( x4  x) 2  ( y4  y ) 2  ( z4  z ) 2  c.(t  t4 )

 (x,y,z) là tọa độ vị trí của máy thu


( x1 , y1 , z1 ),( x2 , y2 , z2 ),( x3 , y3 , z3 ),( x4 , y4, z4 ) là tọa độ vị trí của các vệ tinh GPS

 t là sai số của đồng hồ ở máy thu


t1 , t2 , t3 , t4 là sai số của đồng hồ vệ tinh của các vệ tinh GPS

 c là vận tốc ánh sáng
Tín hiệu GPS truyền từ các vệ tinh GPS để đến được các máy thu ở dưới mặt
đất thì nó phải xuyên qua tầng đối lưu, tầng điện ly, các vật cản ở bề mặt trái đất
như đồi núi, nhà cao tầng.. Do đó sẽ nảy sinh ra các sai số trong quá trình truyền tín
hiệu. Vì vậy, chúng ta có thể mô tả khoảng cách từ các vệ tinh GPS tới máy thu một
cách rõ ràng, chính xác hơn theo biểu thức 1.2 [10].
P    c.(t   )   I  T   M   E (1.2)

 P là khoảng cách giả từ máy thu tới các vệ tinh GPS

15


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc



 là khoảng cách chính xác từ máy thu tới cá vệ tinh GPS

 t là sai số của đồng hồ máy thu
  là sai số của đồng hồ vệ tinh


 I là sai số khi truyền qua tầng điện ly



T là sai số khi truyền qua tầng đối lưu



 M là sai số do hiệu ứng đa đường khi tín hiệu GPS gặp các vật cản trên bề

mặt trái đất


 E là sai số gây ra do nhiễu và các tác nhân không mong muốn
Hiện nay, nhằm nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS. Chúng ta có thể

kết hợp hệ thống GPS với các hệ thống tăng cường SBAS hay sử dụng mạng lưới
các trạm mặt đất (DGPS) để tính toán sửa sai các sai số của hệ thống GPS.
1.2.4 Tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS được điều khiển bởi các đồng hồ nguyên tử có độ ổn định và
chính xác cao (sai số khoảng 1013 giây) và sử dụng sóng mang thuộc băng tần L
(L1=1575.42 Mhz, L2=1227.60 Mhz) để truyền từ các vệ tinh GPS tới các máy thu

trên bề mặt trái đất [13]. Trong đó, các tín hiệu được truyền trên băng tần L1 phục
vụ cho mục đích dân sự, các tín hiệu được truyền trên băng tần L2 phục vụ cho mục
đích quân sự và nó có khả năng sửa sai trễ của tầng điện ly. Hai sóng mang L1, L2
có nguồn gốc từ một tần số cơ bản f0  10.23 Mhz với L1  154  f0 , L2  120  f0 [4].
Các thông tin dưới dạng các bit nhị phân của tín hiệu GPS sẽ được mã hóa
trước khi được truyền đi trên sóng mang. Quá trình mã hóa đó được gọi là quá trình
điều pha như mô tả trong hình 1.6. Các đoạn mã bao gồm một chuỗi các trạng thái
+1 và -1 tương ứng với các giá trị 1 và 0 trong chuỗi bit nhị phân. Quá trình điều
pha sẽ tiến hành đổi pha 1800 khi có bất kỳ sự thay đổi trạng thái xảy ra [13].

16


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc

Hình 1.6 Điều chế tín hiệu GPS
(Priceton University)
Tín hiệu GPS bao gồm các đoạn mã để xác định khoảng cách từ các vệ tinh
GPS tới các máy thu (mã C/A và mã P) và bản tin dẫn đường. Trong đó:
 Mã C/A được truyền trên băng tần L1. Nó là một loại mã giả ngẫu nhiên, nó
sử dụng thuật toán Gold để tạo ra các đoạn mã. Chu kỳ của mã C/A là 1ms
và nó được truyền đi với tốc độ là 1.023 Mbps. Thông tin cơ bản của mã C/A
là thời gian mà các tín hiệu GPS được truyền đi từ các vệ tinh, máy thu sau
khi thu các đoạn mã CA sẽ dựa vào đó để xác định ra khoảng cách của mình
tới các vệ tinh GPS.
 Mã P được truyền trên cả hai băng tần L1 và L2. Chu kỳ của mã P là 267
ngày và nó được truyền đi với vận tốc là 10.23 Mbps. Cũng giống như với
mã C/A, mã P chứa thông tin về thời gian mà tín hiệu GPS được truyền đi.
Nhưng với việc có tốc độ truyền gấp 10 lần so với mã C/A nên mã P có thể

cung cấp độ chính xác tốt hơn so với mã C/A (Geoffrey Blewitt, 1997). Có
một điểm khác biệt nữa giữa mã C/A và mã P là mã P sử dụng mã mật Y để
để mã hóa bảo mật thông tin còn mã C/A thì không sử dụng bất kỳ loại mã
mật nào để bảo vệ thông tin.
 Bản tin dẫn đường được truyền đi với tốc độ rất thấp 50 bps. Nó bao gồm có
1500 bit thông tin và được chia ra làm 25 khung dữ liệu. Trong mỗi khung

17


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
dữ liệu lại được chia nhỏ thành 5 khung con như mô tả trong hình 1.7. Các
thông tin được lưu trữ trong bản tin dẫn đường là:
1. Thông tin về ngày tháng, thời gian
2. Thông tin về trạng thái của các vệ tinh GPS, các vệ tinh này còn hoạt
động hay không
3. Dữ liệu chính xác về vị trí của vệ tinh GPS hay còn được gọi là
ephemeris data
4. Dữ liệu thô về quỹ đạo, trạng thái và vị trí của tất cả các vệ tinh hay còn
được gọi là almanac data

Hình 1.7 Cấu trúc của bản tin dẫn đường
(Navstar Global Positioning System Program Office Navstar Seminars, 1996)

18


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc

CHƯƠNG 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ
THỐNG GPS
Như chúng ta biết, để các tín hiệu GPS có thể đến được các máy thu trên bề
mặt trái đất thì nó phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tại đây các tín hiệu
GPS sẽ bị thay đổi bởi ảnh hưởng của các ion, nguyên tử, phân tử trung hòa ở tầng
điện ly và tầng đối lưu. Ngoài ra, tín hiệu GPS còn có thể bị phản xạ khi gặp các vật
cản trên bề mặt trái đất như đồi núi, các tòa nhà cao tầng trong môi trường đô thị
trước khi nó tới antenna của máy thu. Các máy thu cũng luôn luôn bị ảnh hưởng bởi
nhiễu trong quá trình thu tín hiệu GPS và đồng hồ đếm thời gian được lắp đặt ở máy
thu luôn luôn có sai số so với thời gian thực tế. Vị trí của các vệ tinh GPS tại thời
điểm phát đi tín hiệu GPS và thời điểm các máy thu nhận được tín hiệu GPS là khác
nhau, các đồng hồ đếm thời gian trên các vệ tinh mặc dù có cải thiện nhiều so với
các đồng hồ đếm thời gian ở các máy thu nhưng vẫn tồn tại sai số mặc dù là rất nhỏ.
Tất cả các yếu tố trên đều ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống GPS. Chúng ta
có thể chia làm 6 yếu tố chính ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống GPS như
minh họa trên hình 2.1.
 Sai số về quỹ đạo vệ tinh
 Sai số về đồng hồ vệ tinh
 Sai số tầng điện ly
 Sai số tầng đối lưu
 Sai số do hiệu ứng đa đường
 Sai số gây ra tại máy thu
Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về từng yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của
hệ thống GPS ở phần tiếp theo của luận văn.

19


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc

Hình 2.1 Các yếu tố gây ra sai số cho hệ thống GPS
( />2.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh
Trong hệ thống GPS, almanac sẽ cung cấp các thông tin gần đúng về quỹ đạo
và vị trí của toàn bộ 32 vệ tinh GPS. Ephemeris sẽ cung cấp các thông tin chính xác
về quỹ đạo và vị trí của từng vệ tinh GPS, mỗi một vệ tinh sẽ có một ephemeris
riêng biệt. Nhưng thực tế, dưới sự tác động của các yếu tố như lực hấp dẫn, bức xạ
mặt trời, áp suất không khí.. sẽ gây ra sai số giữa vị trí và quỹ đạo thực tế của các vệ
tinh GPS so với thông tin về vị trí và quỹ đạo của vệ tinh GPS được các vệ tinh
GPS phát quảng bá tới máy thu như mô tả trong hình 2.2 [7]. Để khắc phục điều
này, ephemeris sẽ được cập nhật liên tục 2h một lần. Việc cập nhật ephemeris được
thực hiện dựa trên các dữ liệu thu được từ các trạm quan sát đặt rải rác trên bề mặt
trái đất, sau đó các dữ liệu này được trạm điều khiển trung tâm xử lý rồi cập nhật
cho các vệ tinh GPS thông qua các antennas mặt đất. Sau đó các vệ tinh GPS sẽ tiến
hành phát quảng bá ephemeris sau khi được cập nhật tới các máy thu. Với phương
thức trên chúng ta có thể làm giảm sai số quỹ đạo vệ tinh xuống còn khoảng 3m.
Ngoài ra để nâng cao độ chính xác của hệ thống GPS, chúng ta có thể sử dụng dữ
20


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
liệu từ hàng trăm trạm IGS trên trái đất để xác định chính xác quỹ đạo và vị trí của
vệ tinh GPS. Dữ liệu từ các trạm IGS sau khi xử lý có thể đưa ra vị trí và quỹ đạo vệ
tinh so với vị trí thực tế với sai số chỉ còn khoảng 6 cm [8].

Hình 2.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh
(Lihua Ma, Meng Wang, 2013)
2.2 Sai số đồng hồ vệ tinh
Các vệ tinh GPS sử dụng các đồng hồ nguyên tử để đo đạc, tính toán toàn bộ

các hoạt động của mình, bao gồm cả việc xác định thời gian mà các bản tin dẫn
đường được phát đi. Các đồng hồ nguyên tử có độ ổn định và chính xác rất cao.
Hiện nay các nhà khoa học đã chế tạo được các đồng hồ nguyên tử với độ chính sác
1014 giây, nhưng do chi phí để sản xuất ra các chiếc đồng hồ nguyên tử là rất đắt đỏ

nên các đồng hộ nguyên tử được lắp đặt trên các vệ tinh GPS chỉ có thể đạt được độ
chính xác nano giây. Để giảm thiểu sai số do đồng hồ nguyên tử gây ra, các đồng hồ
nguyên tử sẽ được đồng bộ với thời gian thực do trạm điều khiển trung tâm cung
cấp với chu kỳ 24h. Sau quá trình đồng bộ thì các sai số của đồng hồ nguyên tử sẽ

21


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
bị triệt tiêu về 0. Tuy nhiên trong khoảng thời gian giữa các lần đồng bộ vẫn tồn tại
sai số. Để khắc phục vấn đề này, trạm điều khiển trung tâm của hệ thống GPS thông
qua các trạm antenna mặt đất sẽ gửi các tham số a f 0 , a f 1 , a f 2 tới các vệ tinh GPS
để hiệu chỉnh lại sai số của đồng hồ vệ tinh [8]. Sai số của đồng hồ vệ tinh có thể
được tính theo công thức 2.1 [10].
dt  a f 2 (t  toe )2  a f 1 (t  toe )  a f 0  drel  tgd

(2.1)



dt là sai số đồng hồ vệ tinh



t là thời gian đo đạc



toe là thời gian bản tin dẫn đường được phát đi



d rel là sai số tương đối



t gd là trễ truyền dẫn



a f 0 , a f 1 , a f 2 là các tham số được lưu trong bản tin định vị

Dưới tác dụng của trọng lực cùng với sự khác nhau về vận tốc giữa các vệ
tinh GPS và máy thu, điều này sẽ gây ra sự thay đổi tần số trong các dao động của
đồng hồ vệ tinh. Sai số này có thể làm cho sai số của các đồng hồ vệ tinh lên tới
70ns nhưng bằng cách áp dụng sai số tương đối thì sai số trên sẽ bị triệt tiêu để làm
giảm sai số của đồng hồ vệ tinh [10]. Ngoài ra trong quá trình truyền tín hiệu, các
tín hiệu GPS cũng chịu tác động của tầng khí quyển do đó chúng ta cần t gd để triệt
tiêu trễ lan truyền khi tín hiệu GPS đi qua tầng khí quyển.
Ngoài ra, chúng ta cũng có thể dùng dữ liệu từ các trạm IGS trên thế giới để
tính toán, ước lượng đưa ra thời gian một cách chính xác. Các trạm IGS có thể cung
cấp các đồng hồ đo với độ chính sác 0.1ns so với thời gian thực tế [10]. Phương
pháp này thường được dùng cho các ứng dụng yêu cầu có độ chính xác cao.
2.3 Sai số tầng điện ly

Tầng điện ly là lớp bên trên của khí quyển, nó là nơi chịu nhiều tác dụng của
các bức xạ sóng ngắn của mặt trời và các bức xạ khác từ vũ trụ. Dó đó nó là nơi
chứa nhiều ion và các điện tích tự do, dưới tác động của các ion và điện tích tự do

22


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
này tín hiệu GPS sẽ bị trễ khi truyền qua tầng điện ly như mô tả trên hình 2.3. Tầng
điện ly có độ cao từ 50km tới hơn 100km so với bề mặt trái đất, nhưng nơi diễn ra
sự biến thiên mạnh mẽ của các ion và điện tích tự do nằm ở đỉnh của lớp F2 với độ
cao từ 225km tới 400km so với bề mặt trái đất [3].
Trong trường hợp lý tưởng, tín hiệu GPS sẽ được truyền đi với vận tốc ánh
sáng. Nhưng khi nó xuyên qua tầng điện ly dưới sự tác động của các hạt mạng điện,
tín hiệu GPS sẽ bị trễ hay nói cách khác vận tốc lan truyền của tín hiệu GPS trong
tầng điện ly sẽ nhỏ hơn vận tốc ánh sáng. Tín hiệu GPS bị trễ nhiều hay ít phụ thuộc
vào mật độ các hạt mang điện tích hay số TEC của tầng điện ly [10]. Ở những nơi
khác nhau trên bề mặt trái đất thì ảnh hưởng của tầng điện ly tới quá trình lan truyền
tín hiệu GPS tại các nơi đó cũng khác nhau, tín hiệu GPS chịu ảnh hưởng của tầng
điện ly mạnh nhất ở những nơi gần xích đạo và 2 vùng cực. Ngoài ra, ảnh hưởng
của tầng điện ly tới quá trình lan truyền tín hiệu GPS cũng thay đổi theo từng thời
điểm trong một ngày và giữa các ngày trong một năm. Ban ngày tín hiệu GPS sẽ bị
trễ lớn hơn so với ban đêm do chịu tác động của các bức xạ từ mặt trời [6].
Để cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS thì chúng ta phải làm giảm hoặc
triệt tiêu sai số mà tầng điện ly gây ra. Hiện nay có 3 phương pháp được dùng để
làm giảm hoặc triệt tiêu sai số do tầng điện ly gây ra. Phương pháp thứ nhất là sử
dụng mô hình Klobuchar để ước lượng ra sai số của tầng điện ly. Phương pháp này
có thể làm giảm sai số của tầng điện ly xuống còn từ 2-5m. Phương pháp thứ hai là
sử dụng các máy thu 2 tần số, nhờ sự khác nhau về thời gian nhận được bản tin dẫn

đường ở 2 tần số L1 và L2 chúng ta có thể tính toán ra được sai số của tầng điện ly.
Phương pháp này có thể làm giảm sai số của tầng điện ly xuống còn dưới 1m [8].
Phương pháp thứ ba là sử dụng các hệ thống hỗ trợ SBAS hoặc DGPS để sửa sai
các sai số gây ra do tầng điện ly. Phương pháp này cũng có thể làm giảm sai số của
tầng điện ly xuống còn dưới 1m.

23


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc

Hình 2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GPS
(Macus G. Ferguson, 2000)
2.4 Sai số tầng đối lưu
Tầng đối lưu là tầng thấp nhất của khí quyển. Phần lớn các hiện tượng thời
tiết gắn với con người hàng ngày như mưa, nắng, sương mù, tuyết, gió.. diễn ra tại
đây. Đặc điểm của tầng đối lưu là các dòng đối lưu của không khí nóng từ bề mặt
bốc lên cao và bị lạnh đi khi lên cao. Nó nằm giữa tầng điện ly và bề mặt trái đất, có
độ cao từ 0 km tới 50 km so với bề mặt trái đất như minh họa trong hình 2.3.
Khi tín hiệu GPS xuyên qua tầng đối lưu để tới antenna của máy thu, dưới
tác động của các nguyên tử trung hòa và các phân tử trong tầng đối lưu, tín hiệu
GPS sẽ bị trễ so với khi truyền trong môi trường lý tưởng hiện tượng này gọi là trễ
tầng đối lưu. Độ trễ của tín hiệu GPS phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như áp suất,
độ ẩm, nhiệt độ dọc theo đường truyền tín hiệu. Trễ tầng đối lưu có thể được chia ra
làm 2 loại, một là trễ gây ra ở tầng cao nơi chứa nhiều khí trơ, hai là trễ gây ra ở
tầng thấp nơi chứa nhiều hơi nước như mô tả trong hình 2.4 [16]. Trong đó tầng cao
gây ra 25% trễ tầng đối lưu, tầng thấp gây ra 75% trễ tầng đối lưu.
Mặc dù trễ tầng đối lưu chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và phụ thuộc nhiều vào
thời tiết nhưng chúng ta hoàn toàn có thể ước lượng và dự đoán được trễ của tầng

24


Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS
Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
đối lưu. Dưới đây là một công thức được dùng để ước lượng trễ của tầng đối lưu
[8].
user



S 

(n  1) s  10

satellite

6

user



N s (2.2)

satellite

cv
cm



n



cv là vận tốc ánh sáng



cm là vận tốc của tín hiệu GPS khi xuyên qua tầng đối lưu



S là sai số tầng đối lưu

Khi xuyên qua tầng đối lưu ngoài việc bị trễ thì các tín hiệu GPS còn bị khúc
xạ. Công thức 2.2 có thể giúp chúng ta ước lượng trễ của tầng đối lưu nhưng việc
ước lượng tính toán sự khúc xạ của tín hiệu GPS là rất khó khăn và phức tạp. Rất
nhiều các nhà khoa học đã xây dựng lên các mô hình để tính toán sự khúc xạ, sai số
và trễ của tầng đối lưu. Các mô hình này dựa vào các tham số như áp suất, nhiệt độ,
độ ẩm, vận tốc, độ cao, góc nghiêng.. để đưa ra sai số của tầng đối lưu. Trong đó
nổi bật nên là các mô hình như mô hình Saastamoinen, mô hình Hopfield, mô hình
Black và Eisner, mô hình Marini và Muray [8].

Hình 2.4 Phân loại của trễ tầng đối lưu
( />
25