Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... 4
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU.................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
CHUƠNG 1.

CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHA SÓNG MANG TRONG

PHÉP ĐỊNH VỊ VÀ HIỆN TƢỢNG NHẢY CHU KỲ (CYCLE SLIP) .............. 11
1.1. Các phƣơng pháp sử dụng pha sóng mang trong định vị ............................... 11
1.1.1. Phƣơng trình tọa độ trong định vị sử dụng vệ tinh.................................11
1.1.2. Các phƣơng pháp kết hợp trị đo pha để giải tọa độ................................13
1.1.3. Lƣu ý khi sử dụng các phƣơng pháp kết hợp trị đo pha .........................16
1.1.4. Phƣơng pháp sử dụng trị đo pha để giảm nhiễu bộ thu ..........................18
1.2. Hiện tƣợng nhảy chu kỳ (cycle slip) ............................................................... 19
1.2.1. Hiện tƣợng nhảy chu kỳ trong trị pha ....................................................19
1.2.2. Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp thuần điện ly ..............................20
1.2.3. Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp MW ............................................21
1.2.4. Kết quả khảo sát các phƣơng pháp định vị sử dụng pha sóng mang .....21

CHUƠNG 2.

PHÁT TRIỂN MODULE TIẾP NHẬN THÔNG TIN CẢI

CHÍNH TỪ CÁC TRẠM TOÀN CẦU .......................................................... 26
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................. 26

2.2. Quỹ đạo và thời gian vệ tinh cung cấp bởi IGS.............................................. 29
2.3. Định dạng dữ liệu IGS .................................................................................... 32
1
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

2.4. Kết nối, đọc và giải mã dữ liệu RTCM thời gian thực từ IGS ....................... 34

CHUƠNG 3.

XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH

XÁC GPS SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU TOÀN CẦU (PPP) .............. 37
3.1. Định vị điểm đơn ............................................................................................ 37
3.1.1. Phƣơng trình tọa độ điểm .......................................................................37
3.1.2. Giải phƣơng trình cực tiểu hóa sai số bình phƣơng ...............................39
3.1.3. Lọc Kalman ............................................................................................40
3.2. Định vị điểm chính xác ................................................................................... 42
3.2.1. Sai số định vị ..........................................................................................42
3.2.2. Định vị điểm chính xác (Precise Point Positioning - PPP) ....................44
3.2.3. Thử nghiệm độ chính xác của PPP với dữ liệu cải chính từ IGS ...........46

KẾT LUẬN ..................................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 51

2
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2

Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung, số liệu, kết quả trong luận văn Thạc sĩ “Định vị
GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang” chuyên ngành Công nghệ thông tin
là trung thực. Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn đã ghi rõ nguồn gốc.
Ngày 11 tháng 9 năm 2015

Tác giả luận văn

Dƣơng Phú Thuần

3
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tính độ lệch pha của mã độ dài dựa trên hàm tự tƣơng quan ....................11
Bảng 1.1. Tần số và bƣớc sóng của các hệ thống vệ tinh .........................................16
Hình 1.2 Nhiễu của các tổ hợp trị đo khác nhau. ......................................................17
Hình 1.3 Làm mịn nhiễu trị đo mã sử dụng trị đo pha. .............................................19
Hình 1.4 Sự gián đoạn trong trị đo pha do việc nhảy số nguyên lần chu kỳ pha. ....20
Bảng 1.2. Sai số trung phƣơng ..................................................................................22
Hình 1.5 Sai số hƣớng Đông trong 3 trƣờng hợp......................................................22
Hình 1.6. Sai số hƣớng Bắc trong 3 trƣờng hợp .......................................................23
Hình 1.7. Sai số thẳng đứng trong 3 trƣờng hợp.......................................................23

Hình 1.8. Sai số của phƣơng pháp Static PPP...........................................................24
Hình 1.9. Sai số của phƣơng pháp Kinematic PPP ...................................................24
Hình 2.1. Bản đồ các trạm cung cấp dữ liệu cho IGS ...............................................27
Hình 2.2. Mô hình thu thập dữ liệu, xử lý và cung cấp thông tin cải chính của IGS27
Bảng 2.1. Các dịch vụ cung cấp bởi IGS ..................................................................28
Hình 2.3. Cải chính quỹ đạo cung cấp bởi các đơn vị đóng góp khác nhau (theo thời
gian)...........................................................................................................................29
Bảng 2.2. Các dịch vụ cải chính thời gian thực ........................................................30
Hình 2.4. Định vị điểm chính xác với thông tin cải chính từ IGS01 ........................31
Hình 2.5. Định vị điểm chính xác với thông tin cải chính từ IGS02 ........................32
Hình 2.6. Định vị điểm chính xác với thông tin cải chính từ IGS03 ........................32
Bảng 2.3. Các định dạng dữ liệu của IGS .................................................................33

4
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Hình 2.7. Hệ thống NTRIP .......................................................................................33
Bảng 2.4. Các gói tin của định dạng RTCM 2.X ......................................................34
Bảng 2.5. Các gói tin của định dạng RTCM 3.X ......................................................34
Hình 2.8. Dữ liệu từ điểm truy cập IGS-01 thực hiện đọc đƣợc ...............................35
Hình 2.9. Minh họa mã nguồn giải mã gói tin 1004, định dạng RTCM3 .................36
Hình 3.1. Tuyến tính hóa phƣơng trình giả khoảng cách với điểm cơ sở (x0,y0,z0) .38
Hình 3.2. Lọc Kalman ...............................................................................................42
Hình 3.3. Khai báo dữ liệu thử nghiệm trong mã nguồn ..........................................46
Hình 3.4. Minh họa một phần mã nguồn của PPP ....................................................47
Hình 3.5. Độ chính xác định vị của PPP (đỏ) và SPP (xanh) với trạm PIMO..........48

5
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tần số và bƣớc sóng của các hệ thống vệ tinh .........................................16
Bảng 1.2. Sai số trung phƣơng ..................................................................................22
Bảng 2.1. Các dịch vụ cung cấp bởi IGS ..................................................................28
Bảng 2.2. Các dịch vụ cải chính thời gian thực ........................................................30
Bảng 2.3. Các định dạng dữ liệu của IGS .................................................................33
Bảng 2.4. Các gói tin của định dạng RTCM 2.X ......................................................34
Bảng 2.5. Các gói tin của định dạng RTCM 3.X ......................................................34

6
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đề tài “Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang (High
accuracy positioning using carrier phase)” là một trong những vấn đề nghiên cứu
đƣợc quan tâm rất nhiều từ các nhà khoa học trong nƣớc và trên thế giới.
Định vị GPS với độ chính xác cao là rất quan trọng, nó đƣợc ứng dụng rất
nhiều trong cuộc sống hiện đại nhƣ: trắc địa và bản đồ địa chất - biển - hàng không,
giao thông và thông tin trên mặt đất - trên biển - hàng không, ngành hải dƣơng học,
công nghệ giải trí, tìm kiếm cứu nạn; đặc biệt là những ứng dụng trong quân đội.

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 đƣợc 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 nƣớc phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để
đạt đƣợc 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 hƣớng 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
đƣợc trình độ cạnh tranh trên thị trƣờng. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới
mức hợp lý mang tính phổ cập. Có tới mƣời hãng trên thế giới sản xuất máy thu
GPS, trong đó có các hãng chính nhƣ: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ),
ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo
dƣ luận thị trƣờng hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang
đƣợc đánh giá cao nhất.
Về phƣơng diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng
hơn của nó. Trị đo thu đƣợc chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến
7
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

các tín hiệu này bằng các phƣơng pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có
đƣợc 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 đƣợc chúng ta có thể tính đƣợc 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 đƣợc nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS gồm 3 phần: phần điều khiển (Control
Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).
2. Mục tiêu của đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết của định vị GPS với độ chính xác
cao. Tăng cƣờng khả năng định vị nhanh hơn, chính xác hơn nhờ thông tin từ các
trạm thông tin cải chính toàn cầu IGS. Ngoài ra đề tài còn tìm hiểu các cơ sở lý
thuyết của các phƣơng pháp định vị điểm chính xác (Precise Point Positioning PPP).
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, khả năng định vị của
hệ thống vệ tinh GPS, các sai số trong quá trình định vị.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trị đo pha, trị đo mã trong định vị sử dụng
pha sóng mang. Nghiên cứu các dữ liệu từ các hệ thống IGS. Phƣơng pháp giải tọa
độ sử dụng các trạm tham chiếu toàn cầu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
a. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ và công nghệ liên quan.
- Tổng hợp các tài liệu lý thuyết về định vị GPS.
b. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Sử dụng phần mềm để định vị theo phƣơng pháp định vị điểm chính xác
(PPP).

8
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

- Thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả.

5. Kết quả dự kiến
- Đạt đƣợc kết quả chính xác cao trong định vị.
- Đề ra đƣợc giải pháp định vị với độ chính xác cao (cm) và ứng dụng trong
thực tế cuộc sống hiện đại hiện nay.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Định vị GPS với độ chính xác cao là vấn đề đang rất đƣợc quan tâm và có
vai trò quan trọng trên nhiều lĩnh vực.
Trong trắc địa và bản đồ địa chất, định vị chính xác cao giúp cho việc: Đo đạc
địa chính, lập lƣới khống chế trắc địa, theo dõi độ biến dạng cục bộ, theo dõi độ
biến dạng toàn bộ.
Định vị GPS giúp cho việc xác định các hành trình trên mặt đất phục vụ cho
giao thông và thông tin trên mặt đất. Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để
đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven
bờ và ngoài khơi, là một công cụ dẫn đƣờng hàng hải trên biển lý tƣởng.
Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung
cấp kỹ thuật dẫn đƣờng bay, xác định tâm chính ảnh. Trong lĩnh vực hàng không
dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống
dẫn đƣờng bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng
hệ thống GPS trong dẫn đƣờng và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng
không quốc gia đã chính thức sử dụng GPS.
Hệ thống định vị toàn cầu đƣợc thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm
theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hƣớng hàng không,
hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS đƣợc coi là hệ độc lập và là một bộ phận của
những hệ thống dẫn đƣờng tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các
bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân.
Ngoài ra định vị GPS độ chính xác cao còn ứng dụng rất quan trọng trong
công tác tìm kiếm cứu nạn hay cả trong nghành giải trí.

7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng nhƣ sau:

9
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

MỞ ĐẦU
Phần này nêu Lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu, kết
quả dự kiến và ý nghĩa trong khoa học, thực tiễn của đề tài nghiên cứu.
CHƢƠNG 1. CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHA SÓNG MANG
TRONG PHÉP ĐỊNH VỊ VÀ HIỆN TƢỢNG NHẢY CHU KỲ (CYCLE SLIP)
Chƣơng 1 tìm hiểu cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp định vị sử dụng pha
sóng mang và việc phát hiện hiện tƣợng nhảy số nguyên lần chu kỳ (cycle slip)
trong định vị sử dụng trị đo pha - phƣơng pháp giải quyết
CHƢƠNG 2. PHÁT TRIỂN MODULE TIẾP NHẬN THÔNG TIN CẢI
CHÍNH TỪ CÁC TRẠM TOÀN CẦU
Chƣơng 2 trình bày khả năng tăng cƣờng độ chính xác của kết quả định vị,
cũng nhƣ rút ngắn thời gian hội tụ khi giải tọa độ chính xác, các tác nhân sai số
trong phƣơng trình tọa độ cần đƣợc loại bỏ đến mức tối đa sử dụng thông tin từ các
trạm cung cấp thông tin cải chính toàn cầu (IGS).
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH
XÁC GPS SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU TOÀN CẦU (PPP)
Chƣơng 3 tìm hiểu các cơ sở lý thuyết của các phƣơng pháp định vị điểm
chính xác (PPP), phƣơng pháp giải tọa độ cơ bản (sai số lớn).
KẾT LUẬN
Phần này bàn về những vấn đề đã giải quyết đƣợc và những vấn đề còn chƣa
giải quyết đƣợc trong phạm vi của đề tài.

10

Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

CHUƠNG 1. CÁC PHƢƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHA SÓNG MANG
TRONG PHÉP ĐỊNH VỊ VÀ HIỆN TƢỢNG
NHẢY CHU KỲ (CYCLE SLIP)
Mục tiêu của chƣơng này là nhằm tìm hiểu các cơ sở lý thuyết của các phƣơng
pháp định vị sử dụng pha sóng mang. Trong thực tế trị đo pha sóng mang mặc dù có
độ chính xác cao (cỡ cm) nhƣng lại tồn tại một "ẩn số nguyên" không xác định là số
nguyên lần chu kỳ sóng mang. Do đó thông thƣờng để giải số nguyên này, chỉ trị đo
pha là không đủ, mà phải kết hợp giữa trị đo pha và trị đo mã. Ngoài ra, khi sử dụng
trị đo pha cần hết sức lƣu ý tới vấn đề nhảy chu kỳ (cycle slip – không xuất hiện khi
dùng trị đo mã). Chƣơng này mô tả lý thuyết định vị sử dụng pha sóng mang từ cơ
sở, các phép kết hợp trị đó đến các phƣơng pháp xử lý hiện tƣợng nhảy chu kỳ.
1.1. Các phƣơng pháp sử dụng pha sóng mang trong định vị
1.1.1. Phương trình tọa độ trong định vị sử dụng vệ tinh
Trong định vị sử dụng vệ tinh, khoảng cách giữa bộ thu và vệ tinh (R) đƣợc
tính dựa trên thời gian tín hiệu lan truyền (T), với tốc độ ánh sáng (c); do đó khoảng
cách R đƣợc tính bởi:
R  cT

(1-1)

Thời gian lan truyền T đƣợc tính nhờ một mã độ dài đƣợc nhúng trong tín
hiệu; nhờ có mã này, các bộ thu thực hiện phép tƣơng quan tín hiệu thu đƣợc với
mã sinh ra nội bộ để tìm độ lệch pha của mã gây ra bởi quá trình truyền. Từ đó tính
ra thời gian truyền tín hiệu. Quá trình này đƣợc mình họa nhƣ Hình 1.1.

Hình 1.1 Tính độ lệch pha của mã độ dài dựa trên hàm tự tƣơng quan

11
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Khoảng cách R đƣợc gọi là khoảng cách giả (pseudorange), bởi vì còn nhiều
yếu tố chƣa xác định trong quá trình tính R ví dụ nhƣ sự đồng bộ giữa đồng hồ vệ
tinh và bộ thu. Nếu ký hiệu T1 và T2 là quy chiếu thời gian của vệ tinh và bộ thu
tƣơng ứng, tsat và trcv tƣơng ứng là thời gian phát và thu tín hiệu của vệ tinh và bộ
thu thì giả khoảng cách đƣợc tính nhƣ sau:
RPf  c (trcv (T2 )  t sat (T1 ))

(1-2)

Giả khoảng cách đo đƣợc theo cách trên không chỉ bao gồm khoảng cách thật
giữa vệ tinh và bộ thu mà còn bao gồm cả các sai số gây ra do sự đồng bộ về thời
gian, độ trễ của tín hiệu khi xuyên qua các tầng khí quyển, độ trễ tín hiệu do hiệu
ứng đa đƣờng, và do chính nhiễu của bộ thu. Xem xét tất cả các yếu tố này thì
phƣơng trình giả khoảng cách đƣợc viết đầy đủ nhƣ sau [2, 3]:
RPf    c ( dt rcv  dt sat )  Tr   f STEC  K Pf , rcv  K Psatf  M Pf   Pf

(1-3)

Phƣơng trình trên bao gồm các đại lƣợng đƣợc mô tả nhƣ sau:


 là khoảng cách thực giữa vệ tinh và bộ thu (m)

 c là vận tốc ánh sáng (m/s)
 dtsat và dtrcv là thời gian phát và thu tín hiệu (s)
 Tr là độ trễ của tín hiệu khi xuyên qua tầng đối lƣu (m)
  f STEC là độ trễ tín hiệu khi xuyên qua tầng điện ly (m)


K Pf ,rcv , K Psatf là sai số của bộ thu và vệ tinh (m)

 M là độ trễ do hiệu ứng đa đƣờng (m)


 là các sai số khác

Ngoài cách sử dụng mã độ dài để xác định giả khoảng cách, pha sóng mang
cũng có thể đƣợc dùng. Mặc dù pha sóng mang có độ phân giải cự ly nhỏ (cm),
nhƣng khi sử dụng pha sóng mang, số nguyên lần chu kỳ của pha lại không đƣợc
xác định chính xác, và đóng vai trò nhƣ một nghiệm nguyên trong phƣơng trình giả
khoảng cách có tính đến số nguyên lần bƣớc sóng của sóng mamg đƣợc mô tả:
12
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

 L f    c ( dtrcv  dt sat )  Tr   f STEC  k L f , rcv  k Lsatf  L f N L f  L f   mL f  

(1-4)

trong phƣơng trình trên ngoài các tham số nhƣ phƣơng trình (1-3),  là bƣớc

sóng ánh sáng, N là số nguyên lần chu kỳ pha của sóng mang,  L  là sai số do hiệu
f

ứng pha.
Một điều cần lƣu ý là dấu của đại lƣợng sai số do tầng điện ly trong (1-3) và
(1-4) là trái ngƣợc nhau. Điều này sẽ là cơ sở cho việc kết hợp cả trị đo mã và pha
để loại trừ sai số gây ra do tầng điện ly.
1.1.2. Các phương pháp kết hợp trị đo pha để giải tọa độ
Xuất phát từ quan sát trong phần trƣớc, có nhiều sự kết hợp giữa các phƣơng
trình giả khoảng cách dùng mã và pha đã đƣợc phát triển để đạt đƣợc các mục đích
khác nhau. Dƣới đây là một vài các kết hợp phổ biến nhất [3], trong đó:
ΦC, ΦW, ΦI và RC, RW, RI là các giá trị giả khoảng cách sau khi kết hợp.
Φi và Ri là giả khoảng cách tính đƣợc trên kênh Li (i =1 hoặc 2).
fi là tần số sóng kênh Li (i = 1 hoặc 2).
- Phƣơng pháp tổ hợp loại trừ điện ly: Tổ hợp này cho phép loại trừ tới 99.9%
sai số gây ra bởi tầng điện ly. Sự kết hợp giữa trị đo mã và pha đƣợc mô tả trong
phƣơng trình dƣới đây:
f1 2  1  f 2 2  2
C 
f12  f 2 2
f12 R1  f 2 2 R2
RC 
f12  f 2 2

(1-5)

- Phƣơng pháp tổ hợp thuần điện ly: Tổ hợp này loại bỏ các yếu tố liên quan
đến vị trí của vệ tinh và bộ thu, do đó chỉ có các yếu tố liên quan đến tầng điện ly
còn lại; tổ hợp này thƣờng đƣợc dùng khi cần phân tích đặc điểm tầng điện ly.
Phƣơng trình tổ hợp đƣợc mô tả nhƣ sau:

13
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

 I  1   2

(1-6)

RI  R1  R2
- Phƣơng pháp tổ hợp bƣớc sóng dài
W 

f1  1  f 2  2
f1  f 2

RW 

f1 R1  f 2 R2
f1  f 2

(1-7)

- Phƣơng pháp tổ hợp bƣớc sóng ngắn
W 

f1  1  f 2  2
f1  f 2

(1-8)

f R  f 2 R2
RW  1 1
f1  f 2

Để tổ hợp các tín hiệu, trƣớc hết biến thời gian đƣợc định nghĩa lại nhƣ sau:

c t  cdt  K C12 , K C12

f12 K1  f 22 K 2

f12  f 22

(1-9)

Sử dụng biến thời gian đã đƣợc định nghĩa lại ta có thể chứng minh đƣợc

cdt  K1  c t   1 ( K 2  K1 )
cdt  K 2  c t   2 ( K 2  K1 )

(1-10)

trong đó

i 

i
 2  1

,i 

40.3 16
10
fi 2

(1-11)

Từ (1-9 & 1-11) ta viết lại phƣơng trình tọa độ dùng trị đo mã và pha nhƣ sau:
Ri    c ( t rcv   t sat )  Tr   i ( I  K 21 )  M i   i
 i    c ( t rcv   t sat )  Tr   i ( I  K 21 )  Bi  i  mi   i

(1-12)

14
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

trong đó B là đại luợng khoảng cách đo bởi số nguyên lần bƣớc sóng của sóng
mang và Bi đuợc tính nhƣ sau:
Bi  bi  i N i , i 

c
fi

(1-13)

Sử dụng trị đo mã và pha nhƣ trong (1-12), các tổ hợp cặp đƣợc tính nhƣ sau:
- Tổ hợp loại trừ điện ly
RC    c ( t rcv   t sat )  Tr  M C   C
 C    c ( t rcv   t sat )  Tr  BC   N   mC   C

(1-14)

trong đó BC [5] đƣợc tính bởi
BC  bC  N ( N1  (W / 2 ) N W )

(1-15)

với bC là độ lệch vi sai (bC=bC,rec+bCsat).
- Tổ hợp thuần điện ly
RI  I  K 21  M I   I
 I  I  K 21  BI  (1  2 )  mI   I

(1-16)

trong đó BI đƣợc tính bằng
BI  bI  1 N1  2 N 2

(1-17)

 W    c ( trcv   t sat )  Tr   W ( I  K 21 )  BW  mW   W

(1-18)

- Tổ hợp bƣớc sóng dài

trong đó

BW  bW  W N W

(1-19)

RN    c ( trcv   t sat )  Tr   W ( I  K 21 )  M N   N

(1-20)

- Tổ hợp bƣớc sóng ngắn

- Các tổ hợp khác

15
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

1
1
1
( Ri   i )    c ( t rcv   t sat )  Tr  Bi  i  M G   G
2
2
2

(1-21)

Bảng dƣới đây tóm tắt tần số và bƣớc sóng của các hệ thống vệ tinh cùng với
bƣớc sóng của tổ hợp dài và ngắn tƣơng ứng.
Bảng 1.1. Tần số và bƣớc sóng của các hệ thống vệ tinh

Hệ thống

GPS

Glonass

Galileo

Tín
hiệu

Tần số
(MHz)

I
L1
L2
L5
G1
G2
G3
E1
E5b
E5a

fi

1575.420
1227.600
1176.450
1602.000
1246.000
1202.025
1575.420
1207.140
1176.450

Bƣớc
sóng
(m)
c/fi
0.19
0.244
0.255
0.187
0.241
0.249
0.19
0.248
0.255

Tổ hợp

Bƣớc
sóng dài

ij

L1, L2
L1, L5
L2, L5
G1, G2
G1, G3
G2, G3
E1, E5b
E1, E5a
E5a, E5b

c/(fi-fj)
0.862
0.751
5.861
0.842
0.750
6.817
0.814
0.751
9.768

Bƣớc
sóng
ngắn
c/(fi+fj)
0.107
0.109
0.125
0.105
0.107

0.122
0.108
0.109
0.126

Do việc định nghĩa lại biến thời gian, tổ hợp loại trừ điện ly của trị đo mã độ
dài không còn bị ảnh hƣởng của độ lệch mã vi sai (DCB), tuy nhiên với trị đo pha
độ lệch này vẫn tồn tại và đƣợc tính bằng bC=bC,rec+bCsat. Tuy nhiên độ lệch này
hoàn toàn có thể đƣợc loại bỏ khi sử dụng phƣơng pháp định vị điểm chính xác
(PPP) nhờ lọc Kalman. Nếu sử dụng phƣơng pháp định vị chính xác động (RTK) thì
độ lệch này cũng đƣợc loại trừ nhờ việc lấy sai phân kép. Tuy nhiên nếu muốn định
vị chính xác điểm đơn trong thời gian thực thì độ lệch này phải đƣợc xác định, trong
trƣờng hợp đó, thông thƣờng nó sẽ đƣợc tính từ máy chủ và cung cấp tới bộ thu nhƣ
một dịch vụ cải chính.
1.1.3. Lưu ý khi sử dụng các phương pháp kết hợp trị đo pha
Phần trên đã trình bày các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu, trong đó mỗi tổ hợp có tác
dụng riêng, ví dụ nhƣ tổ hợp loại trừ điện ly có khả năng loại bỏ tới trên 90% sai số
gây ra bởi tầng điện ly. Tuy nhiên, khi tổ hợp còn cần tính tới một yếu tố khác đó là
nhiễu tổ hợp. Trong khi trị đo mã có nhiễu lớn nhƣng luôn duy trì giải giá trị liên
16
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

tục, trị đo pha mặc dù có nhiễu nhỏ nhƣng giữa các thời điểm có thể có bƣớc nhảy
giá trị lớn do số chu kỳ pha là một số nguyên không biết trƣớc. Hình 1.2 minh họa
nhiễu khi kết hợp các trị đo pha và mã nhƣ trình bày trong phần trên.

Hình 1.2 Nhiễu của các tổ hợp trị đo khác nhau.

17
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

1.1.4. Phương pháp sử dụng trị đo pha để giảm nhiễu bộ thu
Nhiễu gây ra bởi chất lƣợng bộ thu (thiết kế phần cứng, mạch điện…) thƣờng
là dạng nhiễu trắng [6] và có thể loại bỏ một phần nhờ bộ lọc làm mịn. Nhiễu bộ thu
có cả trên trị đo mã và pha, nhƣng với trị đo pha biên độ của nhiễu nhỏ hơn. Nhờ đó
trị đo pha có thể đƣợc dùng để làm giảm nhiễu của trị đo mã. Giả sử R ( s; n) và
 ( s; n) tƣơng ứng là trị đo mã và pha của vệ tinh s tại thời điểm n, trị đo mã sẽ đƣợc

làm mịn nhƣ sau:
R ( s; k ) 

1
n 1 
R ( s; k ) 
R ( s; k  1)    ( s; k )   ( s; k  1)  

n
n 

(1-22)

Giải thuật làm mịn đƣợc khởi tạo với R ( s;1)  R ( s;1) , và n=k khi k < N ngƣợc
lại n=N. Tuy nhiên do sử dụng trị đo pha, hiện tƣợng nhảy số nguyên chu kỳ sẽ xuất
hiện nên quá trình trên phải đƣợc khởi tạo lại mỗi khi số nguyên chu kỳ pha nhảy.

Công thức (1-20) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau:
R (k )   (k )  R  

(1-23)

(k )

Sử dụng định nghĩa trị đo mã và pha trong phần 1.1.2 ta có:
R1 ( k )   1 ( k )  R1   1



(k )

 r ( k )  I1 ( k )  2 I1

(k )

 I1 ( k )



(1-24)

 r ( k )  I1 ( k )  bias I  

Do phần bias là đại lƣợng phụ thuộc thời gian, quá trình làm mịn trên sẽ làm
lệch giá trị của trị đo, thời gian càng dài thì độ lệch càng lớn. Để khắc phục nhƣợc
điểm này thì trị đo pha dùng trong quá trình làm mịn cần đƣợc tính lại dựa trên trị
đo nhiều tần số nhƣ sau:

1  1  21 (1   2 )

(1-25)

Hình dƣới đây minh họa tác dụng của các bộ lọc mịn lệch và không lệch.

18
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Hình 1.3 Làm mịn nhiễu trị đo mã sử dụng trị đo pha.

1.2. Hiện tƣợng nhảy chu kỳ (cycle slip)
1.2.1. Hiện tượng nhảy chu kỳ trong trị pha
Các phần trên đã trình bày các phƣơng pháp sử dụng trị pha để cải thiện nhiễu
cho trị đo mã hoặc loại bỏ sai số gây ra bởi tầng điện ly. Tuy nhiên một trong những
19
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

vấn đề lớn khi dùng trị đo pha gây ra do nhảy số nguyên lần chu kỳ pha là một số
nguyên không xác định [5]. Giá trị số nguyên này thay đổi mỗi lần bộ thu khởi động
lại quá trình dò tìm vệ tinh. Do đó, không nhƣ trị đo mã, trị đo pha có sự nhảy cách
về giá trị nhƣ minh họa trong hình 1.4 dƣới đây [3].

Hình 1.4 Sự gián đoạn trong trị đo pha do việc nhảy số nguyên lần chu kỳ pha.

Mỗi lần xuất hiện sự gián đoạn trong trị đo pha, quá trình làm mịn nhiễu trình
bày trong phần trên cần đƣợc khởi tạo lại. Do đó cần thiết phải có cơ chế để dò tìm
và phát hiện các thời điểm mà trị đo pha có sự gián đoạn.
1.2.2. Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp thuần điện ly
Với các bộ thu đa tần, tổ hợp thuần điện ly có thể sử dụng để phát hiện gián
đoạn pha theo giải thuật sau:
Vào:
 I ( s ; k )   1 ( s ; k )   2 ( s; k )

(1-26)

Ra: Cờ gián đoạn và thời gian
Lặp qua các giá trị k
20
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Lặp qua các vệ tinh
o Bật cờ gián đoạn nếu độ lệch trị pha lớn hơn ngƣỡng
o Khớp đa thức vào số liệu các bƣớc trƣớc
o So sánh giá trị bƣớc k với giá trị dự đoán nhờ đa thức, nếu
chênh lệch lớn hơn ngƣỡng thì bật cờ gián đoạn
o Khởi tạo lại quá trình nếu cờ gián đoạn bật
Hết lặp
Hết lặp
1.2.3. Dò tìm gián đoạn pha sử dụng tổ hợp MW
Vào: Tổ hợp MW

Ra: Cờ gián đoạn và thời gian
Lặp qua các giá trị k
Lặp qua các vệ tinh
o Bật cờ gián đoạn nếu độ lệch trị pha lớn hơn ngƣỡng
o So sánh BW(s;k) với giá trị trung bình của nó tính đến bƣớc
trƣớc, nếu chênh lệch lớn hơn ngƣỡng thì bật cờ
o Cập nhập giá trị trung bình
mBW ( s ;k ) 

k 1
1
mBW ( s ;k 1)  BW ( s; k )
k
k

(1-27)

o Khởi tạo lại quá trình nếu cờ đƣợc bật
Hết lặp
Hết lặp
1.2.4. Kết quả khảo sát các phương pháp định vị sử dụng pha sóng mang
Để khảo sát và đánh giá các giải pháp định vị sử dụng pha sóng mang hiện
nay, chúng ta sử dụng kết hợp phần mềm đƣợc cung cấp miễn phí trên Internet, và
21
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

phần mềm gLAB đƣợc phát triển bởi nhóm gAGE (nhóm nghiên cứu thiên văn và

hình học ở đại học bách khoa Catalonia do TS. Jaume Sanz Subirana thành lập), là
một trong những đơn vị quốc tế cùng hƣớng nghiên cứu. Để khách quan khi đánh
giá các giải thuật, các file dữ liệu đƣợc sử dụng đều đƣợc lấy từ nguồn cung cấp bởi
mạng lƣới các trạm thu tin cậy của IGS. Bảng dƣới đây đánh giá sai số trung
phƣơng khi sử dụng phƣơng pháp định vị điểm đơn dùng mã khoảng cách.
Bảng 1.2. Sai số trung phƣơng

Sai số hƣớng Bắc
(m)

Sai số hƣớng
Đông (m)

Sai số thẳng
đứng (m)

TSKB

-3

+3

-4

KUNM

-3

+5

0

WUHN

-3

+4

+11

PIMO

0

-6

-5

COCO

0

-7

+7

KARR

0

-1

+6

PERT

+1

-5

+3

TIDB

-1

+4

+11

HOB2

-3

-1

-5

Tên trạm

Hình 1.5 Sai số hƣớng Đông trong 3 trƣờng hợp
(Xanh nước biển – Sử dụng tổ hợp, Xanh lá cây – Sử dụng pha, Đỏ - Sử dụng mã)

22
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Hình 1.6. Sai số hƣớng Bắc trong 3 trƣờng hợp
(Xanh nước biển – Sử dụng tổ hợp, Xanh lá cây – Sử dụng pha, Đỏ - Sử dụng mã)

Hình 1.7. Sai số thẳng đứng trong 3 trƣờng hợp
(Xanh nước biển – Sử dụng tổ hợp, Xanh lá cây – Sử dụng pha, Đỏ - Sử dụng mã)

Khi kết hợp trị đo pha sóng mang, nhiễu tầng điện ly có thể đƣợc loại trừ nhờ
tổ hợp loại trừ điện ly. Khảo sát với trạm PIMO sử dụng phần mềm gLAB, trong
các trƣờng hợp chỉ sử dụng mã, chỉ sử dụng pha, và sử dụng tổ hợp loại trừ điện ly
cho kết quả nhƣ 3 hình trên.
Kết quả trên cho thấy việc kết hợp pha trong phép định vị giúp cải thiện độ
chính xác, trong trƣờng hợp này, độ chính xác phƣơng thẳng đứng đƣợc cải thiện
23
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

nhiều nhất do việc sử dụng tổ hợp pha và mã loại trừ trễ tầng điện ly theo phƣơng
thẳng đứng khi tín hiệu truyền từ vệ tinh tới bộ thu.
Bên cạnh việc sử dụng pha trong các tổ hợp đơn giản nhƣ trên, có các phƣơng

pháp sử dụng phức tạp hơn nhƣ phƣơng pháp định vị điểm chính xác tĩnh (Static
PPP), phƣơng pháp định vị điểm chính xác động (Kinematic PP), phƣơng pháp định
vị vi sai động (RTK). Các phƣơng pháp này sử dụng kỹ thuật phức tạp hơn với các
tổ hợp bao gồm: kỹ thuật phát hiện gián đoạn nhƣ trình bày trong chƣơng 3 và kỹ
thuật lọc (Kalman) do đó kết quả có thể đạt tới cm. Hình dƣới đây cho thấy mức độ
chính xác của các phƣơng pháp này (thử nghiệm đƣợc thực hiện bằng phần mềm
các phần mềm xử lý hậu kỳ).

Hình 1.8. Sai số của phƣơng pháp Static PPP

Hình 1.9. Sai số của phƣơng pháp Kinematic PPP

24
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2


Định vị GPS độ chính xác cao sử dụng pha sóng mang

Kết quả cho thấy với phƣơng pháp Static PPP thì sai số rất nhỏ (khoảng 5
cm), trong đó sai số theo phƣơng thẳng đứng là lớn nhất và dao động nhiều nhất.
Với phuơng pháp Kinematic PPP thì sai số cũng nhỏ nhƣng đòi hỏi thời gian hội tụ
lâu hơn.

25
Học viên Dương Phú Thuần - CB121358 - Lớp 12BCNTT2