Nghiên cứu thiết kế trạm di động theo phƣơng thức định vị chính xác RTK

MỞ ĐẦU
Trong thời đại khoa học, kĩ thuật và công nghệ phát triển nhƣ vũ bão,
hàng loạt các công nghệ mới đang đƣợc nghiên cứu, phát triển và triển khai,
đem lại những giá trị vô cùng to lớn. Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System) từ khi ra đời đã hỗ trợ con ngƣời trong việc xác định vị trí,
hƣớng đi, xây dựng các loại bản đồ và phục vụ nhiều mục đích khác. Cùng với
đó, những yêu cầu ngày càng cao của ngƣời sử dụng trong việc nâng cao tính
chính xác của các dịch vụ đã thúc đẩy nhiều công nghệ mới ra đời: nhƣ định vị
chính xác sử dụng hệ thống GNSS lƣỡng tần số; định vị chính xác sử dụng bộ
thu GPS và mems IMU; định vị chính xác RTK.
Trong luận văn này, em xin trình bày đề tài Nghiên cứu thiết kế trạm di
động theo phƣơng thức định vị chính xác RTK, theo đó, em xin trình bày những
vấn đề cơ bản của định vị RTK, các phƣơng thức, thuật toán và ứng dụng. Trong
quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận
đƣợc những ý kiến đóng góp của thầy cô giáo, các bạn để luận văn của em đƣợc
hoàn thiện và mang tính thực tế hơn.
Qua đây, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS
Nguyễn Thúy Anh cùng thầy cô và các bạn đã hƣớng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em
hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám Hiệu trƣờng
Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ, tạo điều kiện
cho em trong thời gian học tập.
Hà Nội , 02 tháng 04 năm 2015
Học viên thực hiện
Nguyễn Mạnh Đức

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
MỤC LỤC ............................................................................................................. 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... 7
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 9
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ................................................................................. 10
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS .......................................... 12
1.1 Phân hệ không gian ................................................................................... 13
1.1.1 Chòm sao vệ tinh ................................................................................ 13
1.1.2 Vệ tinh GPS ........................................................................................ 13
1.2 Phân hệ điều khiển .................................................................................... 14
1.3 Phân hệ sử dụng ........................................................................................ 15
2.1 Giới thiệu ................................................................................................... 16
2.2 Tín hiệu GPS ............................................................................................. 16
2.2.1 Pha sóng mang GPS ........................................................................... 16
2.2.2 Các mã trong GPS .............................................................................. 17
2.2.3 Dịch tần Doppler ................................................................................ 19
2.3 Các nguồn sai số ........................................................................................ 19
2.3.1 Sai số quỹ đạo .................................................................................... 19
2.3.2 Sai số đồng hồ của vệ tinh và máy thu ............................................... 20
2.3.3 Sai số khí quyển ................................................................................. 22
2.3.4 Độ lệch và sự biến đổi tâm pha của angten........................................ 27
2.3.5 Hiệu ứng đa tuyến .............................................................................. 29
2.3.6 Nhiễu đo lƣờng ................................................................................... 30
2.4 Các phép đo GPS....................................................................................... 31
2


2.4.1 Các kết hợp tuyến tính của các mô hình quan sát đồng thời giữa các
tần số............................................................................................................ 31
2.4.2 Kết hợp tuyến tính giữa các máy thu và các vệ tinh .......................... 35

2.4.3 Mô hình ngẫu nhiên của các mô hình quan sát GPS.......................... 38
2.5 Giải quyết tham số ambiguity của pha sóng mang ................................... 40
2.5.1 Ý nghĩa vật lý của tham số ambiguity ............................................... 40
2.5.2 Phƣơng pháp LAMBDA .................................................................... 41
CHƢƠNG 3: TRẠM THAM CHIẾU DGPS ..................................................... 43
3.1 Giới thiệu chung về DGPS ........................................................................ 43
3.1.1 LADGPS ............................................................................................ 43
3.1.2 WADGPS ........................................................................................... 44
3.2 Nền tảng của DGPS .................................................................................. 45
3.2.1 Mô hình quan sát ................................................................................ 45
3.2.2 Các hiệu chỉnh vi sai .......................................................................... 48
3.2.3 Bù trừ độ lệch đồng hồ ....................................................................... 49
3.2.4 Các thuật toán hiện có ........................................................................ 51
CHƢƠNG 4: MẠNG RTK ................................................................................. 55
4.1 Giới thiệu chung về mạng RTK ................................................................ 55
4.2 Khái niệm định vị mạng GPS.................................................................... 55
4.2.1 GPS vi sai (DGPS) ............................................................................. 56
4.2.2 Định vị pha RTK ................................................................................ 56
4.2.3 Các cụm mạng lƣới (Network Clusters) ............................................ 56
4.2.4 Mạng RTK.......................................................................................... 57
4.3 Thiết lập hiệu chỉnh ................................................................................... 60
4.3.1 Khởi tạo mạng .................................................................................... 60
4.3.2 Kĩ thuật giải quyết tham số ambiguity cho nhiều trạm tham chiếu ... 61
4.3.3 Duy trì một mức độ tham số Ambiguity chung ................................. 64
3


4.3.4 Các kĩ thuật giải quyết tức thời tham số ambiguity ........................... 66
Các thành phần hình học: .................................................................................... 68
4.3.5 Tính toán và biểu diễn sai số dƣ......................................................... 69

4.4 Hiệu chỉnh nội suy..................................................................................... 72
4.4.1 Nội suy tuyến tính .............................................................................. 72
4.4.2 Mô hình kết hợp tuyến tính ................................................................ 74
4.4.3 Mô hình bề mặt bậc thấp .................................................................... 75
4.4.4 Sự sắp xếp bình phƣơng tối thiểu....................................................... 77
4.4.5 Mạng lƣới dựa trên Parameterisation ................................................. 78
4.4.6 So sánh đánh giá các kĩ thuật nội suy ................................................ 79
4.5 Truyền tải sự hiệu chỉnh ............................................................................ 80
4.5.1 Các giao thức truyền tải RTCM SC-104 ............................................ 80
4.5.2 Các tham số hiệu chỉnh diện tích ....................................................... 88
4.5.3 Trạm tham chiếu ảo ............................................................................ 91
4.5.4 Khái niệm Master Auxiliary .............................................................. 96
CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ TRẠM DI ĐỘNG .................................................... 103
5.1 Cơ sở thiết kế........................................................................................... 103
5.1.1 Tóm tắt lý thuyết .............................................................................. 103
5.1.2 Các yêu cầu của bộ thu di động ....................................................... 104
5.1.3 Một số phân loại cơ bản ................................................................... 104
5.2 Một số thiết kế ......................................................................................... 105
5.2.1 Máy thu trong hệ thống tập trung..................................................... 105
5.2.2 Máy thu đơn trạm ............................................................................. 107
5.2.3 Máy thu đa trạm ............................................................................... 109
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 113

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1: Chòm sao vệ tinh.................................................................................... 13
Hình 2: Vệ tinh NAVSTAR ................................................................................ 14

Hình 3: Phân hệ điều khiển ................................................................................. 15
Hình 4: Các lớp của khí quyển ............................................................................ 22
Hình 5: Phƣơng pháp giảm nhiễu tầng khí quyển............................................... 24
Hình 6: Độ dày của lớp ƣớt và khô trong mô hình Hopfield .............................. 26
Hình 7: Giảm sai số tầng đối lƣu ........................................................................ 27
Hình 8: Ý nghĩa vật lý của số nguyên đa trị........................................................ 41
Hình 9: Phƣơng pháp LAMBDA: Quy trình của phép giải số nguyên đa trị ..... 42
Hình 10: Trạm tham chiếu cơ bản với hiệu chỉnh độ lêch đồng hồ .................... 51
Hình 11: Thiết kế trạm tham chiếu kết hợp với bộ lọc hiệu chỉnh ..................... 54
Hình 12: Phƣơng pháp một đƣờng cơ sở ............................................................ 58
Hình 13: Phƣơng pháp mạng............................................................................... 58
Hình 14: Quá trình xử lí mạng RTK ................................................................... 60
Hình 15: Mô hình quan sát biểu diễn không gian của sai số mạng .................... 70
Hình 16: Minh họa bốn trạm tham chiếu và các mặt phẳng ............................... 89
hiệu chỉnh tƣơng ứng........................................................................................... 89
Hình 17: Quá trình VRS ...................................................................................... 93
Hình 18: Mạng lƣới 3 trạm tham chiếu A,B,C ................................................... 99
Hình 19: Mô hình máy thu số 1 ........................................................................ 106
Hình 20: Mô hình máy thu số 2 ........................................................................ 108
Hình 21: Mô hình máy thu số 3 ........................................................................ 110

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Độ chính xác của sản phẩm quỹ đạo IGS ............................................ 20
Bảng 2: Các kết hợp tuyến tính phổ biến giữa các tần số .................................. 32
Bảng 3: Tóm tắt các loại thông điệp có thể được sử dụng cho các ứng dụng định
vị vi sai, trong mỗi phiên bản RTCM .................................................................. 81
Bảng 4: Mô tả loại thông điệp RTCM phiên bản 3.0.......................................... 85

Bảng 5: RTCM version 3.1 Precision GPS Network RTK message types .......... 86

6


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACF

Autocorrelation Function

Hàm tự tƣơng quan

ARP

Antenna Reference Point

Điểm tham chiếu angten

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang số

CPF

Central Processing Facility

Thiết bị xử lí trung tâm

DGPS

Differential GPS

GPS vi sai

DOP

Dilution of Precision

Suy giảm độ chính xác

ECEF

Earth Centered, Earth Fixed

Hệ tọa độ địa tâm

EDGE

Enhanced Data Rates for GSM

Công nghệ web trên di động nâng

Evolution

cấp từ GPRS

Geometric Dilution of

Suy giảm độ chính xác theo địa lý

GDOP

Precision
Global Navigation Satellite

Hệ thống định vị toàn cầu sử

System

dụng vệ tinh

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GPST

GPS Time

Thời gian GPS

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin đi động toàn

Communication

cầu

HTTP

HyperText Transfer Protocol

Giao thức truyền tải siêu văn bản

IF

Intermediate Frequency

Trung tần

MAC

Master Auxiliary Concept

Khái niệm Master Auxiliary

NGS

National Geographic Society

Hiệp hội địa lý Quốc gia

OSR

Observation Space

Biểu diễn không gian quan sát

GNSS

Representation
PCV

Phase Centre Variation

Sự biến đổi tâm pha

PRN

Pseudo Random Noise

Nhiễu giả ngẫu nhiên

RF

Radio Frequency

Cao tần

RTK

Real Time Kinematic

Thời gian thực động

RTSP

Real Time Streaming Protocol

Giao thức tạo giao tiếp luồng thời gian thực

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SPS

Standard Positioning Service

Dịch vụ định vị chuẩn

SVN

Space Vehicle Number

Số hiệu vệ tinh

SSR

State space Representation

Biểu diễn không gian trạng thái

TEC

Total Electron Content

Tổng số lƣợng electron

TOW

Time of Week

Thời gian của tuần. Tuần GPS bắt đầu tại nửa đêm
giữa thứ bảy và chủ nhật

UHF

Ultra High Frequency

Tần số siêu cao

UMTS

Universal Mobile Telecommunications

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

Systems
UTC

Universal Time Coordinated

Giờ Quốc tế phối hợp

UTM

Universal Transverse Mercator

Hệ tọa độ lƣới xác định vị trí trên bề mặt trái đất

7


VRS

Virtual Reference Station

Trạm tham chiếu ảo

WGS84

World Geodetic System 1984

Hệ thống trắc địa toàn cầu 1984

ZHD

Zenith Hydrostatic Delay

Thành phần khô trong vùng thiên đỉnh

ZWD

Zenith Wet Delay

Thành phần ẩm ƣớt trong vùng
thiên đỉnh

8


LỜI CAM ĐOAN
Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong
Viện Điện tử - Viễn thông, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi
trƣờng thuận lợi về cơ sở vật chất cũng nhƣ về chuyên môn trong quá trình em
thực hiện đề tại. Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo Sau Đại
học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện
thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Và đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc
đến PGS.TS Nguyễn Thúy Anh đã tận tình chỉ bảo, định hƣớng khoa học và
hƣớng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này.
Em xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do em tìm
hiểu, nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều đƣợc em thực hiện cẩn thận và có sự định
hƣớng và sửa chữa của giáo viên hƣớng dẫn.
Em xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Hà Nội , 02 tháng 04 năm 2015
Học viên thực hiện
Nguyễn Mạnh Đức

9


TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
a. Giới thiệu đề tài:
Từ cách đây hàng thế kỷ, vấn đề đo đạc vị trí đã trở thành một vấn đề
quan trọng trong cuộc sống của con ngƣời. Những con tàu giao thƣơng phải dựa
trên việc đo đạc hải trình để xác định phƣơng hƣớng và vị trí trên biển, nếu
không sẽ bị lạc và dẫn đến vấn đề sống còn. Các công trình cần phải có sự đo
đạc chính xác để giữ đƣợc cấu trúc bền vững qua thời gian. Việc đo đạc vẽ bản
đồ địa chất cho con ngƣời hiểu rõ về mảnh đất mình đang sống, giải quyết các
vấn đề địa hình và thời tiết... Ngày nay, hàng trăm công cụ đo đạc đã đƣợc sinh
ra và sử dụng từ thô sơ đến hiện đại.
Trong vấn đề đo đạc, một vấn đề cốt lõi là làm sao đƣa ra đƣợc giá trị đo
chính xác nhất có thể. Sai số trong đo đạc luôn là tiêu chí đánh giá chất lƣợng
của các công cụ đo lƣờng. Một vấn đề khác là độ tiện lợi cho việc đo lƣờng.
Trong nhiều ứng dụng thực tế, kỹ thuật đo lƣờng còn phải thỏa mãn mặt tốc độ
đo và hiệu quả kinh tế. Việc đo lƣờng cần phải đƣợc thực hiện mà không nhất
thiết phải có tầm nhìn thẳng. Với những yêu cầu đặt ra nhƣ thế, một nhu cầu đặt
ra là đƣa ứng dụng của hệ thống viễn thông vào trong đo lƣờng. Hệ thống viễn
thông có thể đạt đƣợc các yêu cầu về độ tiện dụng và tốc độ đo. Vấn đề của nó
còn tồn tại chủ yếu là việc nâng cao chất lƣợng đo hay độ chính xác của các
phép đo mà thôi.
Hệ thống Real Time Kinematic đƣợc sinh ra trong thời đại kỹ thuật số
nhằm đƣa viễn thông vào ứng dụng đo lƣờng thực địa. Hệ thống RTK là một
trong những ứng dụng của hệ thống định vị GPS toàn cầu cho kết quả đo chính

xác đến cm. Tài liệu này nghiên cứu về hệ thống RTK, các vấn đề của nó và mô
hình toán học của hệ thống RTK. Cuối cùng, tài liệu đƣợc cụ thể hóa với những
thiết kế về bộ thu di động của hệ thống RTK.
b. Ý nghĩa đề tài:
Hệ thống RTK là một ứng dụng viễn thông hiện đại giúp cho nâng cao độ
chính xác trong đo đạc trắc địa và công trình. Nghiên cứu hệ thống RTK để đƣa
vào ứng dụng tại Việt Nam có thể cải thiện chất lƣợng các công trình và hiệu
10


quả về mặt kinh tế và thời gian thi công. Ngoài ra, hệ thống RTK có thể áp dụng
để khảo sát địa hình và vị trí của ngƣời sử dụng một cách chính xác.
c. Mục đích đề tài:
Mục đích của đề tài này là nhằm khám phá cấu trúc của một hệ thống
RTK hoàn chỉnh và có thể đƣa đến triển khai, lắp đặt và sản xuất các thiết bị của
hệ thống RTK. Cuối cùng là đƣa hệ thống RTK vào ứng dụng thực tế trong các
lĩnh vực xây dựng, khảo sát địa hình.
d. Giới hạn đề tài:
Việc tối ƣu và đánh giá chính xác bộ thu RTK là rất phức tạp, thêm vào
đó là vấn đề về tài chính và thời gian. Để có thể tối ƣu hóa hệ thống một cách
hoàn chỉnh, đòi hỏi lƣợng kiến thức và thời gian nhất định. Với số lƣợng kiến
thức giới hạn và thời gian thực hiện đề tài khiêm tốn, em xin đƣợc giới hạn đề
tài trong việc nghiên cứu và đƣa ra một số thiết kế cơ bản của bộ thu RTK.
e. Các kết quả đã đạt đƣợc:
Sau quá trình tìm hiểu và nghiêu cứu, em đã đƣa ra mô hình tổng quát và
đánh giá ƣu nhƣợc điểm của 3 loại máy thu sau: máy thu trong hệ thống tập
trung, máy thu đơn trạm và máy thu đa trạm.

11

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GPS
GPS là một hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu của Mỹ, cung cấp dịch vụ
định vị, dẫn đƣờng và các dịch vụ thời gian cho ngƣời sử dụng trên toàn thế giới
một cách liên tục, bất kể thời gian, thời tiết và địa điểm.
Kiến trúc hệ thống GPS đƣợc thông qua vào năm 1973. Năm 1978, vệ
tinh đầu tiên trong hệ thống GPS đƣợc phóng lên thành công và tín hiệu GPS
thu thử nghiệm với các máy thu đầu tiên. Mục đích ban đầu của dự án xây dựng
hệ thống GPS là để phục vụ các mục đích quân sự của Mỹ nên Bộ Quốc phòng
Mỹ trực tiếp kiểm soát dự án. Dƣới sức ép của vụ bắn nhầm máy bay dân sự
Hàn Quốc trong vùng trời cấm bay của Nga (1978), kế hoạch phát triển hệ thống
GPS phục vụ các ứng dụng dân sự đã đƣợc chú trọng hơn. Đến năm 1995, Bộ
Quốc phòng Mỹ tuyên bố hệ thống GPS đã hoàn chỉnh và chính thức đƣa vào sử
dụng.
Hệ thống GPS đƣợc chia thành 3 phân hệ chính:
- Phân hệ không gian.
- Phân hệ điều khiển.
- Phân hệ ngƣời sử dụng.
Bộ quốc phòng Mỹ đảm nhiệm việc sản xuất, phóng các vệ tinh và quản
lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất. Phần ngƣời sử dụng bao gồm nhiều
thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dụng GPS, bao gồm cả
việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống nhƣ anten và máy thu.
Đối với máy thu, hệ thống GPS cung cấp 2 loại dịch vụ cơ bản: dịch vụ
định vị tiêu chuẩn SPS và dịch vụ định vị chính xác PPS. Chính phủ Mỹ, quân
đồng minh và những ngƣời dùng đặc biệt đƣợc cấp phép sử dụng PPS. Họ sử
dụng các thiết bị bảo mật và các máy thu đƣợc trang bị đặc biệt. Độ chính xác
của PPS đƣợc dự kiến là 22m theo chiều ngang, 27,7m theo chiều dọc và thời
gian là 200ms (UTC). Trong khi đó, những ngƣời sử dụng bình dân trên khắp
thế giới đƣợc sử dụng SPS miễn phí hoặc bị hạn chế sử dụng. Hầu hết các máy
thu đều có khả năng thu và sử dụng tín hiệu GPS. Độ chính xác của SPS bị cố ý

làm giản bằng việc sử dụng Selective Availability bởi DOD. Độ chính xác của
12


SPS đƣợc dự kiến là 100m theo chiều ngang, 156m theo chiều dọc và thời gian
là 340ns.
1.1 Phân hệ không gian
Phân hệ không gian sử dụng thời gian nguyên tử và phát ra tín hiệu cao
tần chứa mã giả ngẫu nhiên và phát lại bản tin định vị từ các tín hiệu thu đƣợc
(từ phân hệ điều khiển). Phân hệ không gian bao gồm các thành phần sau:
1.1.1 Chòm sao vệ tinh
Chòm sao vệ tinh GPS gồm 24 vệ tinh chủ đạo và một vài vệ tinh dự trữ,
đƣợc phân bố trên 6 quỹ đạo gần tròn, kí hiệu từ A đến F, với đƣờng kính
khoảng 20,128km và nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo. Mỗi quỹ đạo có 4
vệ tinh chính đƣợc ký hiệu từ 1 đến 4 và phân bố đều. Chu kỳ của các vệ tinh là
12h. Cấu trúc quỹ đạo này cho phép ngƣời sử dụng hệ thống GPS trên mặt đất
có thể “nhìn thấy” tối thiểu là 4 vệ tinh và trung bình từ 6 đến 8 vệ tinh nếu
không bị cản trở bởi các cấu trúc hạ tầng dƣới mặt đất.

Hình 1: Chòm sao vệ tinh
1.1.2 Vệ tinh GPS
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc
với phân hệ điều khiển và phát tín hiệu tới máy thu.
13


Hình 2: Vệ tinh NAVSTAR
Các vệ tinh GPS đƣợc nhận biết theo nhiều cách. Chúng có thể đƣợc nhận
biết theo vị trí của chúng trên quỹ đạo (mỗi vệ tinh có một vị trí (1, 2, 3...) trên 6
quỹ đạo: A, B, C, D, E, F) hay bởi số chứng nhân NASA hoặc có thể đƣợc xác

định bởi ID quốc tế, hoặc có thể bởi mã giả ngẫu nhiên PRN hay bởi số hiện
SVN.
Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một đồng hồ với độ chính xác rất cao.
Các đồng hồ đó hoạt động tại tần số cơ bản 10.23MHz, chúng đƣợc dùng để
phát tín hiệu xung, các tín hiệu đó đƣợc phát quảng bá từ vệ tinh.
1.2 Phân hệ điều khiển
Các trạm điều khiển mặt đất là đầu não của toàn bộ hệ thống, bao gồm
một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station – MCS) đặt tại căn cứ
không quân Schriever, Colorado Spring – Bang Colorado – Mỹ. Năm trạm thu
số liệu đƣợc đặt quanh trái đất dọc theo đƣờng xích đạo. Cụ thể là ở Nam Đại
Tây Dƣơng (Ascension), Ấn Độ Dƣơng (Diego Garcia), Nam Thái Bình Dƣơng
(Kwajalein), Hawaii và Colorado Spring; ba trạm truyền số liệu đặt tại Nam Đại
Tây Dƣơng, Ấn Độ Dƣơng, Nam Thái Bình Dƣơng.

14


Hình 3: Phân hệ điều khiển
MSC làm nhiệm vụ theo dõi trạng thái của các vệ tinh, quản lý quỹ đạo vệ
tinh và duy trì thời gian GPS. Từ đó đoán các thông số quỹ đạo và đƣa ra giá trị
thời gian GPS đồng bộ giữa các vệ tinh, nhằm cập nhật dữ liệu định vị của các
vệ tinh.
Năm trạm thu số liệu có nhiệm vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm
soát và dự đoán quỹ đạo của chúng. Mỗi trạm đƣợc trang bị những máy thu PCode để thu các tín hiệu của vệ tinh, sau đó truyền về trạm điều khiển chính.
Ba trạm truyền số liệu có khả năng chuyển đổi số liệu lên vệ tinh, gồm
lịch thiên văn mới, dữ liệu hiệu chỉnh đồng hồ, các bản tin và các lệnh điều
khiển từ xa.
1.3 Phân hệ sử dụng
Phân hệ sử dung bao gồm các bộ thu GPS và cộng đồng ngƣời sử dụng.
Các máy thu GPS sẽ chuyển đổi các tín hiệu vệ tinh thành các thông số vị trí,

vận tốc và thời gian. Để tính toán các thông số vị trí (X, Y, Z) và thời gian,
chúng ta cần ít nhất 4 vệ tinh. Bộ thu GPS đƣợc sử dụng cho các dịch vụ định vị,
dẫn đƣờng, phân phát thời gian và các nghiên cứu khác.
Với cấu trúc và đặc điểm của hệ thống GPS nhƣ trên, ta thấy rằng GPS có rất
nhiều ƣu điểm và đem lại nhiều lợi ích khi hoạt động. Các ứng dụng sử dựng
dịch vụ GPS ngày càng đƣợc mở rộng và phát triển rộng rãi. Trong chƣơng tiếp
theo, chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc, đặc điểm và cách tạo tín hiệu GPS.

15


CHƢƠNG 2: CÁC NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ GPS
2.1 Giới thiệu
Chƣơng này đƣa ra các mô hình quan sát GPS và mô hình chức năng của
chúng. Những tổ hợp tuyến tính của tín hiệu GPS giữa các tần số và giữa các
máy thu đƣợc thảo luận. Sai số và các độ lệch trong các phép đo GPS đƣợc chỉ
ra.
2.2 Tín hiệu GPS
Tín hiệu GPS là một tín hiệu tổng hợp có chứa một sóng vô tuyến cao tần
và một mã tần số thấp đƣợc điều chế vào các sóng mang. Các mô hình quan sát
GPS là pha sóng mang, mã khoảng giả và các phép đo dịch tần Doppler.
2.2.1 Pha sóng mang GPS
Các tín hiệu GPS đƣợc phát trên hai tần số vô tuyến truyên băng UHF
(500 Mhz – 3 GHz). Các tần số này đƣợc đặt là L1 và L2 và đƣợc nhận từ một
tần số chung f0 =10.23 Mhz:
fL1 = 154f0 = 1575,42 MHz =>λL1 = c/fL1 ≈ 19 cm
fL2 = 120f0 = 1227,60 MHz =>λL2 = c/fL2 ≈ 24 cm
Việc chọn lựa các tần số cao dựa trên một số lý do. Để đạt đƣợc vị trí
chính xác cao tới cm hoặc vận tốc chính xác cao tới cm/s, yêu cầu những tín
hiệu có bƣớc sóng ở mức cm. Các sóng cực ngắn có bƣớc sóng trong khoảng từ

1mm đến 1m, nhƣng quy định với tần số L1 có bƣớc sóng là 19 cm và L2 là 24
cm. Một lý do nữa để yêu cầu tần số cao nhƣ vậy là để giảm ảnh hƣởng của tầng
điện ly (xem phƣơng trình 9). Sai số này sẽ nhỏ hơn nếu tần số cao hơn đƣợc sử
dụng. Tuy nhiên, đối với tần số quá cao, tín hiệu vệ tinh thu đƣợc trở nên yếu
hơn, do đó việc lựa chọn băng tần L là một sự thỏa hiệp tốt giữasuy giảm tín
hiệu và nhiễu loạn của hiệu ứng tầng điện ly trên các tín hiệu GPS.
Mô hình xác định pha sóng mang theo mét là:
(

)
[ ()

[ ()
(

)]

(

)]
(2.1)

Trong phƣơng trình 2.1 pha sóng mang Φ1α là kết quả của các phép đo
pha từ máy thu α đến vệ tinh 1. Các nguồn sai số độc lập ảnh hƣởng đến phép đo
16


pha sóng mang là: a) độ lệch (bias) tầng điện ly Ι1α và tầng đối lƣu Τ1αdọc theo
đƣờng dẫn tín hiệu, b) ảnh hƣởng của hiệu ứng đa tuyến δm1α, c) độ lệch đồng
hồ (clock offset) vệ tinh dt1 và trễ phần cứng vệ tinh δ1 tại thời điểm truyền tín

hiệu t - η1α. Thời gian truyền tín hiệu là sự khác nhau giữa thời gian GPS thực tại
thời điểm nhận tín hiệu t và thời gian di chuyển của tín hiệu η1α.
Các nguồn sai số phụ thuộc là:
a) độ lệch đồng hồ máy thu dta,b) trễ phần cứng của máy thu δα tại thời điểm
nhận tín hiệu t và c) nhiễu phép đo pha sóng mang ε1α.
Giả sử không có sai số trong phép đo thì pha sóng mang quan sát đƣợc sẽ là tổng
khoảng cách hình học ρ1α - bao gồm các sai số quỹ đạo và độ lệch tâm pha của
angten của máy thu và vệ tinh và giá trị thực của tham số ambiguity Ν1α
2.2.2 Các mã trong GPS
Các tín hiệu đƣợc điều chế với mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) để cung
cấp thông tin các sóng mang cho máy thu tuyệt đối vị trí nhận đƣợc. Các mã
PRN bao gồm các dãy giá trị nhị phân có vẻ nhƣ là ngẫu nhiên vì vậy chúng có
thể không phân biệt đƣợc một số loại nhiễu. Mỗi vệ tinh tạo ra mã số riêng của
nó, do đó, máy thu GPS có thể xác định tín hiệu đƣợc phát từ vệ tinh. Chúng
cũng đã đƣợc lựa chọn để khi tín hiệu đƣợc nhận đồng thời từ các vệ tinh khác
có khả năng chống nhiễu lẫn nhau.
Mã C/A gồm 1023 chuỗi bit nhị phân đƣợc tạo ra với một tốc độ 1023
triệu chip mỗi giây, do đó nó có tần số 1,023 MHz. Mỗi vệ tinh truyền một mã C
/ A duy nhất và nó lặp đi lặp lại mỗi ms. Nó đƣợc điều chế trên sóng mang L1.
Tần số mã P(Y) là 10,23 MHz, giống nhƣ là tần số cơ bản f0 và dài
khoảng 266,4 ngày. Mã P đƣợc phân bổ để mỗi vệ tinh truyền một phần của
chuỗi hoàn chỉnh đƣợc tái khởi tạo vào nửa đêm thứ Bảy mỗi tuần. Nó đƣợc
điều chế trên cả 2 sóng mang L1 và L2.
Mã Y là mã kết quả sau khi mã hóa của mã P với W- mã chống giả mạo. Sau đó,
mã này điều chế trên cả hai sóng mang L1 và L2. Việc sử dụng mã Y là dành cho
các máy thu GPS quân sự để tránh gây nhiễu tín hiệu vệ tinh.

17

Để đo khoảng cách, máy thu GPS tạo ra một bản sao của các chuỗi mã giả
ngẫu nhiên và bằng cách sắp xếp chuỗi bản sao này với một máy thu thì thời
gian di chuyển có thể tính toán đƣợc. Thời gian di chuyển này sẽ bị lệch bởi độ
lệch đồng hồ của vệ tinh và máy thu. Trong khi độ lệch đồng hồ của vệ tinh
đƣợc truyền đi với bản tin định vị cho mỗi vệ tinh, nhƣ đƣợc mô tả trong đoạn
sau đây, thì độ lệch đồng hồ của máy thu đƣợc ƣớc tính nhƣ một tham số trong
các thuật toán định vị. Điều này làm tăng số lƣợng tối thiểu các vệ tinh GPS cần
thiết lên bốn lần cho định vị tuyệt đối bằng cách sử dụng các mã quan sát.
Bản tin định vị đƣợc chồng trên cả 2 sóng mang L1 và L2 cùng với mã
PRN. Nó chứa lịch thiên văn dự đoán vệ tinh, các hệ số dự đoán mô hình hiệu
chỉnh đồng hồ vệ tinh, thông tin tình trạng hệ thống GPS và mô hình tầng điện
ly.
Các mô hình xác định cho khoảng giả đƣợc đƣa ra:
(

)
[ ()

[
(

()

(

)]

)]

(2.2)

Các nguồn sai số độc lập ảnh hƣởng đến phép đo khoảng giả là:
a) độ lệch (bias) tầng điện ly Ι1α và tầng đối lƣu Τ1αdọc theo đƣờng dẫn tín hiệu,
b) ảnh hƣởng của hiệu ứng đa tuyến δm1α, c) độ lệch đồng hồ (clock offset) vệ
tinh dt1 và trễ phần cứng vệ tinh δ1 tại thời điểm truyền tín hiệu t - η1α. Thời gian
truyền tín hiệu là sự khác nhau giữa thời gian GPS thực tại thời điểm nhận tín
hiệu t và thời gian di chuyển của tín hiệu η1α.
Các nguồn sai số phụ thuộc đƣợc là:) độ lệch đồng hồ máy thu dta, b) trễ
phần cứng của máy thu dα tại thời điểm tiếp nhận tín hiệu t và c) nhiễu phép đo
khoảng giả ε1α. Thuật ngữ Ρ1α biểu diễn cho khoảng cách hình học giữa máy thu
a và vệ tinh 1, bao gồm cả sai số quỹ đạo và độ lệch tâm pha angten của máy thu
và vệ tinh.
So sánh phƣơng trình (2.1) và (2.2) hiệu ứng khúc xạ tầng điện ly bị đảo
ngƣợc. Hiệu ứng đa tuyến dm1a, trễ phần cứng da và d1 và nhiễu phép đo e1a thay
thế cho các bản sao pha sóng mang của chúng và từ đó tham số ambiguity của
pha sóng mang không có mặt trong phƣơng trình quan sát khoảng giả.
18


2.2.3 Dịch tần Doppler
Tần số của tín hiệu nhận đƣợc dịch chuyển từ tần số sóng mang chính, L1
hoặc L2, bởi vì các hiệu ứng Doppler. Sự khác biệt giữa hai chuỗi trong các phép
đo thời gian pha sóng mang có thể đƣợc viết trong khoảng cách đơn vị nhƣ sau:
(

)

()
(

)

[

(

[

()

)

(

)

(
(

(2.3)

)]
)]

Đối với khoảng thời gian ngắn không khí khúc xạ, hiệu ứng đa tuyến và
trễ thiết bị có thể đƣợc bỏ qua. Đối với trƣờng hợp này,sự thay đổi trong phép
đo pha sóng mang chủ yếu liên quanđến những thay đổi trong vị trí của các vệ
tinh và máy thu và thay đổi trong các sai số của đồng hồ vệ tinh và máy thu nhƣ
thể hiện trong phƣơng trình 2.3. Vì vậy, số hạng đầu tiên ở phía bên phải có thể
đƣợc biểu diễn nhƣ là tỷ lệ thay đổi khoảng cách của các vệ tinhvới máy thu

thông qua một vận tốc tuyến tính, và các số hạng thứ hai và thứ ba là độ lệch tần
số các chuyển động của vệ tinh và máy thu thông qua một độ lệch tần số tuyến
tính[Teunissen, 1998]. Phƣơng trình 2.3 có thể đƣợcviết lại nhƣ sau:
(

)

()

[ (

)

( )]

[

]

(2.4)

Phía bên trái của phƣơng trình 2.4 là sự thay đổi tần số Doppler và nólà
một phép đo đầu ra bổ sung trong một số máy thu.
2.3 Các nguồn sai số
2.3.1 Sai số quỹ đạo
Sai số trong dự đoán các tọa độ của vệ tinh sẽ truyền trực tiếp tới sự ƣớc
lƣợng các tham số. Vì lý do này các sai số quỹ đạo đã đƣợc giảm thiểu, chủ yếu
bằng các mô hình chính xác quỹ đạo vệ tinh. Một vài tổ chức trên thế giới đƣợc
tham gia vào việc ƣớc tính mức độ khác nhau của các sản phẩm quỹ đạo chính
xác. Dịch vụ GNSS toàn cầu thu thập, lƣu trữ và phân phối các tập hơp dữ liệu

quan sát GPS và GLONASS từ một mạng lƣới trạm tham chiếu toàn cầu GNSS
mà đƣợc sử dụng cho việc kết hợp và phân tích các sản phẩm quỹ đạo IGS tại
19


Trung tâm Phân tích IGS. Những sản phẩm này với độ chính xác và thông số kỹ
thuật tƣơng ứng đƣợc tóm tắt trong bảng 2.1.
Độ chính xác của lịch thiên văn phát sóngcũng đƣợc đƣa ra trong cùng
một bảng. Một cải tiến đáng kể đƣợc nhìn thấy trong tính chính xác cho các sản
phẩm IGS trên lịch thiên văn phát sóng. Độ chính xác cao của các sản phẩm quỹ
đạo IGS có ích cho nhiều ứng dụng GPS…
Bảng 1: Độ chính xác của sản phẩm quỹ đạo IGS
GPS Satellite Ephemerides

Accuracy (cm)

Latency

≈100

Real time

Ultra Rapid (predicted half)

≈5

Real time

Ultra Rapid (observed half)

≈3

3-9 hrs

Rapid

≈2

17-41 hrs

Final

≈2

12-18 days

Broadcast

Một sai số dr trong các tọa độ của quỹ đạo của một vệ tinh truyền vào các
sai số db trong các tọa độ của một chiều dài cơ sở b nhƣ sau:
|

|

| |

(2.5)

Trong đó r là khoảng cách trung bình giữa các trạm và vệ tinh (≈
20.000km). Khi đƣờng cơ sở là nhỏ so với độ cao của quỹ đạo của các vệ tinh

GPS, ảnh hƣởng của độ bất định của quỹ đạo dr là không đáng kể.Trong mạng
lƣới GPS khu vực các đƣờng cơ sở giữa các trạm tham chiếu có chiều dài trung
bình (20km - 300km). Vì vậy, các sai số lớn nhất có thể đƣợc đƣa ra trong GPS
vi saicho một đƣờng cơ sở là 300 km sử dụng lịch thiên văn phát sóng, từ bảng
2.1 và phƣơng trình 2.5 là khoảng 0.02m.
2.3.2 Sai số đồng hồ của vệ tinh và máy thu
Vai trò của đồng hồ máy thu và vệ tinh là rất quan trọng trong khảo sát
GPS chính xác. Nhƣ đƣợc thể hiện trong phƣơng trình 2.1 và 2.2, các thành
phần sai số đồng hồ của vệ tinh và máy thu đƣợc nhân với tốc độ của ánh sáng c.
Do đó, một sai số đồng hồ nhỏ có thể gây ra một sai số mã và pha rất lớn. Ví dụ

20


một sai số đồng hồ là 1 ns thì sai số khoảng cách là 0,3m, trong khi 1ms thì sai
số là 300m.
Sự không chính xác của đồng hồ vệ tinh đƣợc mô hình hóa bởi các phân
đoạn kiểm soát GPS và nó đƣợc gửi đến ngƣời dùng thông qua phát sóng các
bản tin định vị. Các hệ số mô tả tính chất của đồng hồ vệ tinh là độ lệch (bias)
đồng hồ vệ tinh af0, độ trôi (drift) af1 và tốc độ trôi af2 [GPS ICD, 1995]. Tính
chất đồng hồ ΔtSV cho một vệ tinh SV, đƣợc xác định bằng cách sử dụng một
mô hình dạng đa thức, thể hiện trong phƣơng trình 2.6:
(

)

(

)

(2.6)

Trong đó t là thời gian hệ thống GPS tính theo giây và tα là thời gian tham
chiếu cho các hệ số tính theo giây trong tuần GPS. Giới hạn hiệu chỉnh tƣơng
đối Δtrcũng cần phải đƣợc áp dụng để hoàn thành mô hình của phƣơng trình 2.6
[GPS ICD, 1995]. Sai số đồng hồ vệ tinh có thể đƣợc loại bỏ bằng cách mô hình
hóa các sai số đồng hồ vệ tinh là một quá trình ngẫu nhiên thông qua dự đoán
của một tham số thay đổi liên tục.
Máy thu GPS giá rẻ sử dụng dao động tinh thể thạch anh, để giữ cho các
chi phí ở một mức độ hợp lý. Những dao động này có lợi thế là các thiết bị nhỏ
và tiêu thụ ít điện năng hơn. Trong định vị tuyệt đối, độ lệch đồng hồ máy thu
đƣợc ƣớc tính nhƣ một tham số chƣa biết trong các giải pháp điều hƣớng mà
ƣớc tính vị trí máy thu và đồng hồ máy thu cùng một lúc.
Độ lệch đồng hồ máy thu có thể đƣợc ƣớc tính trong vòng 1 ms hoặc tốt
hơn [Leick, 1995]. Giới hạn trong các kết quả chính xác từ những ảnh hƣởng
của nhiễu đo lƣờng và tác động khí quyển trên các tín hiệu GPS. Một mô hình
hiệu chỉnh tiêu chuẩn của tầng điện ly và tầng đối lƣu đã đƣợc áp dụng hoặc có
thể đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp các máy thu GPS hai tần số dụng sự kết hợp
tầng điện ly tự do. Trong giải pháp định vị một tần số, các sai số đồng hồ chủ
yếu là các số dƣ của khí quyển và nhiễu, khi các quan sát thô đƣợc sử dụng.
Trong định vị tƣơng đối, phƣơng pháp vi phân giữa các vệ tinh loại bỏ sai số
đồng hồ. Trong mạng RTK, nơi mà vi phân bậc hai đƣợc chấp nhận nhƣ là mô

21


hình quan sát chính, đồng hồ của máy thu và vệ tinh đƣợc loại bỏ hoàn toàn
thông qua phƣơng pháp vi phân.
2.3.3 Sai số khí quyển
Một thành phần sai số lớn là tác động của khí quyển trên các tín hiệu GPS

truyền dẫn. Sai số khí quyển đƣợc tách ra hai loại:hiệu ứng tầng điện ly
(ionospheric effect) và trễ của tầng đối lƣu (tropospheric delay).
2.3.3.1 Hiệu ứng tầng điện ly
Tầng điện ly là một phần của khí quyển có độ cao từ 50 đến 1000 km trên
bề mặt trái đất (hình 4). Trong tầng điện ly, mật độ điện tử thay đổi theo độ cao.
Tầng điện ly bao gồm plasma ion hóa. Plasma là một trạng thái của vật chất trên
trái đất có thể đƣợc tìm thấy trong lửa và sét. Trong plasma các electron tự do
âm và các ion dƣơng thu hút lẫn nhau bởi lực điện từ. Do sự điểm yếu của khí
quyển ở độ cao này các electron có thể duy trì trạng thái tự do trong một khoảng
thời gian trƣớc khi chúng đƣợc hút bởi một ion tích điện dƣơng.

Hình 4: Các lớp của khí quyển
Sự tƣơng tác của bức xạ tia cực tím (bƣớc sóng giữa 10 - 100 nm), tia X
cứng (bƣớc sóng nhỏ hơn 1nm) và tia X mềm (bƣớc sóng từ 1 đến 10 nm) với
chủ yếu là các nguyên tử trung hòa oxy và nitơ là yếu tố chính cho sự bất ổn của
tầng điện ly và ảnh hƣởng của sự ion hóa các nguyên tử. Bởi vì các tần số cao
của bức xạ, các electron đƣợc đẩy đi bởi nguyên tử khí trung lập di chuyển tự do
22


trong một thời gian ngắn cho đến khi nó va chạm với một ion. Sự tái tổ hợp bắt
đầu xảy ra khi một electron tự do đƣợc hút lại bằng một ion dƣơng nếu nó di
chuyển đủ gần. Khi mật độ khí tăng lên ở độ cao thấp, quá trình tái tổ hợp tăng
tốc khi các phân tử khí và các ion gần nhau.
Tác động của tầng điện ly đến tín hiệu GPS phụ thuộc vào mật độ electron
tự do TEC (Total Electron Content) dọc theo đƣờng truyền tín hiệu GPS.
Tầng điện ly là một môi trƣờng phân tán (dispersive medium) nên nó làm
gấp khúc (đổi hƣớng) hay thay đổi tốc độ của tín hiệu GPS. Sai số do làm gấp
khúc tín hiệu khi truyền tín hiệu qua 1 lớp con sẽ không đáng kể nếu góc ngẩng
(elevation angle) của bộ thu lớn hơn 50, nhƣng sai số do tốc độ tín hiệu bị thay

đổi luôn là một sai số đáng kể. Tầng điện ly làm tăng tốc độ truyền pha sóng
mang nhƣng làm giảm tốc độ mã PRN và dữ liệu định vị với cùng một biên độ.
Nói cách khác, tầng điện ly làm kéo dài thời gian truyền mã và dữ liệu định vị
đồng thời rút ngắn thời gian truyền pha sóng mang.. Số lƣợng của vi phân δrionph
và δrion là nhƣ nhau trong cả hai trƣờng hợp.
(2.7)
Product × TEC trong phƣơng trình trên tƣơng ứng với hệ số đầu tiên của
chỉ số nhóm và chỉ số khúc xạ pha. Từ phƣơng trình 2.7 mối quan hệ của hiệu
ứng tầng điện ly trên các tần số L1 và L2 là nhƣ sau:
(2.8)
Trƣờng hợp hệ số κ = f1/f2 liên quan đến độ chênh lệch (bias) tầng điện ly
trên L1 với độ chênh lệch (bias) tầng điện ly trên L2.
Thông thƣờng các mô hình tầng điện ly cung cấp các giá trị TEC dọc
(VTEC). Sự kết hợp của giá trị TEC theo chiều dọc và hƣớng nghiêng đƣợc thực
hiện bằng cách sử dụng một hàm ánh xạ. Mô hình một lớp mô hình hàm ánh xạ
đƣợc đƣa ra trong phƣơng trình 2.9.
(2.9)

23


Trong đó: z'là góc ngẩng ở độ cao tầng điện ly trung bình, thƣờng là từ
350 - 450 km (xem Phụ lục B). Hàm ánh xạ của phƣơng trình 2.9 đƣợc sử dụng
liên kết với trễ đỉnh của tầng điện ly từ bản đồ CODE IONEX.
Khi máy thu GPS hai tần số đƣợc sử dụng, kết hợp tuyến tính của các mô
hình quan sát có thể bù đắp cho các hiệu ứng tầng điện ly bậcmột. Ngoài ra là
một ƣớc tính độ chênh lệch tầng điện ly trên các tín hiệu GPS có thể đƣợc suy
ra. Sự chênh lệch (bias) tầng điện ly phải đƣợc xem xét một cách cẩn thận trong
định vị GNSS. Trễ tƣơng đối theo chiều dọc của tầng điện ly cũng có thể đƣợc
ƣớc tính bằng cách sử dụng một mạng lƣới các trạm tham khảo GNSS. Các kỹ

thuật khác nhau đƣợc sử dụng để giảm thiểu độ chênh lệch (bias) tầng điện ly
trên những mô hình quan sát GPS đƣợc tóm tắt trong hình 5.

Hình 5: Phương pháp giảm nhiễu tầng khí quyển
2.3.3.2 Trễ tầng đối lƣu
Tầng đối lƣu là tầng thấp nhất của khí quyển. Đây là phần không ion hóa
của khí quyển và nó là chủ yếu gồm khí nitơ và ôxy. Tầng đối lƣu là một môi

24


trƣờng không tán sắcđối với sóng vô tuyến có tần số lên tới 15 GHz, nhƣ vậy
sựlan tryền là độc lập với tần số.
Các ứng dụng GNSS chính xác rất phức tạp do tác động của tầng đối lƣu
trên các tín hiệu. Các tín hiệu điện từ bị ảnh hƣởng bởi các nguyên tử và các
phân tử trung hòa ở tầng đối lƣu. Hiệu ứng này đƣợc gọi là trễ tầng đối lƣu và
đƣợc ký hiệu là trong luận án này bằng chữ cái. Sự trễ này là một chức năng của
chỉ số khúc xạ tầng đối lƣu, nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và độ ẩm tƣơng
đối. Trễ tầng đối lƣu có thể đƣợc tách ra thành một thành phần khô và ƣớt nhƣ
thể hiện trong phƣơng trình 2.10.
(2.10)
Thành phần khô Th trong vùng thiên đỉnh đƣợc gọi là Zenith Hydrostatic
Delay (ZHD). Nó đƣợc gây ra bởi bầu không khí khô và nó có thể đƣợc xác định
chính xác bằng phép đo áp suất bề mặt. Đại lƣợng ZHD trung bình toàn cầu
khoảng 2,5 m. Zenith Wet Delay (ZWD) Tw là một kết quả của hơi nƣớc trên
bầu khí quyển và không thể mô hình hóa chính xác từ các phép đo bề mặt. Khó
khăn trong việc mô hình hóa các ZWD nằm trong sự phân bố bất thƣờng của hơi
nƣớc ở tầng đối lƣu. Mặc dù đại lƣợng ZWD trung bình toàn cầu khoảng 0,15m
có thể có tác động lớn trên các ứng dụng GNSS đòi hỏi độ chính xác tới
milimet. Đại lƣợng tổng số trễ của tầng đối lƣu tăng lên với sự gia tăng của góc

thiên đỉnh do đƣờng dẫn tín hiệu lớn hơn. Đối với một vệ tinh ở độ cao thấp,
tổng số trễ của tầng đối lƣu có thể lên đến một vài mét, lớn hơn mức trung bình
toàn cầu.
Mô hình thực nghiệm đƣợc sử dụng để giảm thiểu sự khúc xạ tầng đối
lƣu. Hopfield [Hopfield, 2001], Saastamoinen [Saastamoinen, 1972] và UNB3
[Collins, 1999] là một trong số những mô hình của tầng đối lƣu đƣợc sử dụng
bởi các phần mềm xử lí GNSS thƣơng mại ngàynay. Mô hình Hopfield giả định
một mô hình chức năng tƣơng tự nhau cho các thành phần khô và ƣớt của trễ
tầng đối lƣu. Các giá trị đƣợc sử dụng trong mô hình cho thành phần khô là 11
km và thành phần ƣớt là 40 km (hình 6).

25