Nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ở việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.63 MB, 183 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN GIA TRỌNG
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH Ở VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN GIA TRỌNG
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS DẠNG RINEX NHẰM PHÁT TRIỂN
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH Ở VIỆT NAM
Ngành
: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ
Mã số
: 9520503
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH
HÀ NỘI - 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng
tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phân
tích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt
Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Gia Trọng
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... xii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ
LIỆU GNSS................................................................................................................7
1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài ...............................................................7
1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán ................................................................7
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm ..................................................10
1.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................23
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS ..............................23
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm ..................................................25
1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................29
CHƯƠNG 2. TRỊ ĐO GNSS VÀ VẤN ĐỀ HIỆU CHỈNH ẢNH HƯỞNG CỦA
CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐỐI VỚI TRỊ ĐO ............................................................30
2.1 Trị đo GNSS.......................................................................................................30
2.1.1 Trị đo khoảng cách giả .....................................................................................30
2.1.2 Trị đo pha sóng tải............................................................................................32
2.1.3 Trị đo doppler ...................................................................................................34
2.2 Các nguồn sai số trong trị đo GNSS và biện pháp khắc phục ......................35
2.2.1 Các nguồn sai số liên quan đến vệ tinh ............................................................35
2.2.2 Các nguồn sai số liên quan đến máy thu ..........................................................38
2.2.3 Các nguồn sai số liên quan đến môi trường truyền tín hiệu.............................39
2.3 Dữ liệu đo chuyển về định dạng RINEX .........................................................44
2.3.1 Thông tin trong tệp thông tin trị đo ..................................................................45
2.3.2 Thông tin trong tệp thông tin đạo hàng ............................................................46
iii
CHƯƠNG 3. THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI VÀ
ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI ..........................................................................................51
3.1 Bài toán định vị tuyệt đối..................................................................................51
3.1.1 Bài toán định vị tuyệt đối thông thường (tiêu chuẩn) ......................................51
3.1.2 Tính số hiệu chỉnh khoảng cách theo thời gian................................................58
3.1.3 Tính trọng số ....................................................................................................61
3.1.4 Phép lọc Kalman và ứng dụng của phép lọc Kalman trong giải bài toán SPP 63
3.1.3 Bài toán định vị tuyệt đối chính xác ................................................................66
3.2 Bài toán định vị tương đối ................................................................................72
3.2.1 Hiệu của các trị đo............................................................................................72
3.2.2 Thuật toán định vị tương đối tĩnh.....................................................................75
3.2.3 Vấn đề ước lượng phương sai ..........................................................................81
3.2.4 Quy chuyển cạnh từ các tâm ăng ten về các tâm mốc trắc địa ........................83
3.2.5 Thuật toán định vị tương đối động ...................................................................89
3.3 Giải số nguyên đa trị .........................................................................................92
3.3.1 Quy trình chung khi giải số nguyên đa trị ........................................................92
3.3.2 Vấn đề làm giảm tương quan giữa các hiệu số nguyên đa trị ..........................93
3.3.3 Các phương pháp tìm kiếm số nguyên đa trị ...................................................94
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS VÀ
TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM .............................................................................98
4.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình ......................................................................98
4.2 Thiết kế phần mềm............................................................................................99
4.2.1 Nguyên tắc chung khi thiết kế phần mềm ........................................................99
4.2.2 Giới thiệu về chương trình đã được xây dựng ...............................................100
4.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm và các phương án tính thực nghiệm .....107
4.3.1 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối .......................................107
4.3.2 Các phương án tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối ................................108
4.3.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tương đối .....................................110
4.4 Kết quả tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối .........................................111
iv
4.4.1 Kết quả tính theo phương án 1 .......................................................................111
4.4.2 Kết quả tính theo phương án 2 .......................................................................113
4.4.3 Kết quả tính theo phương án 3 .......................................................................117
4.4.4 Kết quả tính theo phương án 4 .......................................................................119
4.4.5 Kết quả tính theo phương án 5 .......................................................................122
4.4.6 Kết quả tính theo phương án 6 .......................................................................126
4.5 Kết quả tính thực nghiệm định vị tương đối ................................................129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................133
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ....................................................135
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................139
Phụ lục A: Kết quả xử lý số liệu điểm Đan Phượng bằng phần mềm Bernese 5.0 ..... 149
Phụ lục B: Kết quả định vị tuyệt đối các điểm thực nghiệm theo các phương án
khác nhau.................................................................................................................150
Phụ lục C: Kết quả định vị tuyệt đối điểm DANP trong trường hợp có và không xét
đến hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu ....................................................................165
Phụ lục D: Tọa độ tuyệt đối của các điểm xác định được khi sử dụng kết hợp trị đo
pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã ......................................................167
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center .........................10
Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control .............................11
Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office ................11
Hình 1.4 Giao diện khi nhập số liệu xử lý bằng OPUS ............................................22
Hình 2.1 Đồ thị minh họa hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu GB-1000 ..................32
Hình 2.2 Quy trình chuyển từ dữ liệu thô sang định dạng dữ liệu RINEX ..............44
Hình 3.1 Các yếu tố trên mặt cầu phụ trợ .................................................................59
Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các yếu tố trong đo cao ăng ten máy thu ......................83
Hình 3.3 Chiều cao ăng ten máy thu tại hai điểm M1 và M2 ....................................87
Hình 4.2 Giao diện của chức năng nhập dữ liệu .....................................................102
Hình 4.3 Cửa sổ nhập dữ liệu..................................................................................102
Hình 4.4 Lựa chọn phương pháp định vị tuyệt đối .................................................103
Hình 4.5 Giao diện cài đặt thông tin cho giải bài toán SPP ....................................104
Hình 4.6 Giao diện cài đặt thông tin cho bài toán PPP ...........................................104
Hình 4.7 Nhập các hệ số alpha, beta cho mô hình Klobuchar ................................106
Hình 4.8 Nhập các tham số trong xử lý cạnh ..........................................................106
Hình 4.9a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 1 .......112
Hình 4.9b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 1 ......112
Hình 4.9c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 1 ........113
Hình 4.10a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2 .....114
Hình 4.10b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2 ....114
Hình 4.10c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2 ......115
Hình 4.11a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2_1 .115
Hình 4.11b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2_1 116
Hình 4.11c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2_1 ..116
Hình 4.12a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 3 .....117
Hình 4.12b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 3 ....118
vi
Hình 4.12c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 3 ......118
Hình 4.13a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4 .....119
Hình 4.13b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4 ....119
Hình 4.13c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4 ......120
Hình 4.14a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4_1 .120
Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4_1 121
Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4_1 ..121
Hình 4.15a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5 .....122
Hình 4.15b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5 ....123
Hình 4.15c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5 ......123
Hình 4.16a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5_1 .124
Hình 4.16b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5_1 ......125
Hình 4.16c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5_1 ..125
Hình 4.17a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 6 .....127
Hình 4.17b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 6 ....128
Hình 4.17c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 6 ......128
vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Anh đầy đủ
Từ viết tắt
ADOP
Ambiguity
Dilution
Dịch sang tiếng Việt
Of Độ suy giảm độ chính xác số
nguyên lần bước sóng
Precesion
ANTEX
the ANTenna EXchange format Định dạng chuyển đổi ăng ten
ASCII
American Standard Code for Chuẩn mã trao đổi thông tin của
Information Interchange
Hoa Kỳ
BINEX
BINary Exchange
Phương thức chuyển đổi nhị phân
BIQUE
Best
Quadratic Ước lượng bình phương không
Invariant
Unbiased Estimate
chệch tốt nhất
Tệp chứa các hệ số triều dùng để
BLQ
tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của tải
trọng đại dương
BLUE
Best Linear Unbiased Estimate
Ước lượng tuyến tính không
chệch tốt nhất
CDDIS
Crustal
Dynamics
Information System
CHAMP
Challenging
Data Hệ thống thông tin dữ liệu địa
động lực vỏ trái đất
Minisatellite Vệ tinh CHAMP (của châu Âu)
Payload
CODE
Center for Orbit Determination Trung tâm tính toán quỹ đạo vệ
in Europe
CORS
DCB
tinh châu Âu
Continuously
Operating Trạm tham chiếu thu tín hiệu liên
Reference Station
tục
Difference Code-Bias
Hiệu độ lệch giữa các trị đo
khoảng cách giả theo mã
DGPS
Differential Global Positioning Phương pháp định vị vi phân
System
GGSP
Galileo
Provider
Geodetic
Service Trung tâm cung cấp dịch vụ trắc
địa Galileo
viii
GIS
Information Hệ thống thông tin địa lý
Geographic
System
GLONASS GLObal NAvigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn
System
GPS
Global
cầu (của Nga)
Positioning
System Hệ thống định vị toàn cầu (của
(NAVSTAR GPS)
GPT
Global
Mỹ)
Pressure
and Mô hình áp suất và khí quyển
Temperature
GNSS
Global
toàn cầu
Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn
Navigation
System
cầu
GNSS-R
GNSS-Reflectometry
Phương pháp đo GNSS phản xạ
GRACE
The
Gravity Recovery and Vệ tinh GRACE của Châu Âu
Climate Experiment
IB
Phương pháp làm tròn số nguyên
Integer Boot-strapping
đa trị có điều kiện
IERS
International
Earth
Rotation Tổ chức dịch vụ quốc tế về
and Reference Systems Service
chuyển động quay trái đất và hệ
quy chiếu
IGS
International GNSS Service
Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế
ILS
Integer Least-Squares
Phương pháp bình phương số
nguyên nhỏ nhất
Hệ thống dẫn đường quán tính
INS
Inertial Navigation System
IONEX
IONosphere Map EXchange Định dạng bản đồ tầng điện ly
format
IR
Integer Rounding
Phương pháp làm tròn cho số
nguyên đa trị
IRNSS
Indian
Regional
Satellite System
Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu
vực của Ấn Độ
ix
JPL
Jet Propulsion Laboratory
Phòng nghiên cứu phản lực của
NASA
LAMBDA
AMBiguity Phương pháp tìm kiếm số nguyên
Least-squares
đa trị LAMBDA
Decorrelation Adjustment
LS-VCE
Least-Squares
Variance
Co- Ước lượng các thành phần của ma
trận hiệp phương sai theo nguyên
variance Estimation
lý số bình phương nhỏ nhất
MINQUE
MInimum
Quadratic Ước lượng chuẩn bình phương
Norm
Unbiased Estimate
NMEA
National
không chệch nhỏ nhất
Electronics Hiệp hội điện tử hàng hải quốc
Marine
Association
NTRIP
gia
Network Transport of RTCM Mạng
via Internet Protocol
OPUS
Online
Positioning
lưới
vận
chuyển
của
RTCM qua giao thức internet
User Dịch vụ xử lý số liệu trực tuyến
Service
của Mỹ
PCF
Process Control File
Tệp điều khiển quy trình
PCO
Phase Center Offset
Độ lệch giữa tâm pha trung bình
với điểm tham chiếu đo cao ăng
ten
PCV
Phase Center Variation
Biến thiên tâm pha ăng ten
PPK
Post Processing Kinematic
Phương pháp đo động xử lý sau
PPP
Precise Point Positioning
Định vị tuyệt đối chính xác
PWV
Precipitable Water Vapour
Tổng lượng hơi nước tích tụ
QIF
Quasi Ionosphere Free strategy
Giải pháp gần loại trừ ảnh hưởng
của tầng điện ly
QZSS
Quasi-Zenith Satellite System
Hệ thống vệ tinh tựa thiên đỉnh
(Nhật Bản)
RINEX
Receiver
Exchange format
INdependent Định dạng dữ liệu độc lập với
máy thu
x
RMS
Root Mean Square error
Sai số trung phương trọng số đơn
vị
RTCA
Radio Technical Commission Ủy ban kỹ thuật vô tuyến vũ trụ
for Aeronautics
RTCM
RTK
Radio Technical Commission Ủy ban kỹ thuật vô tuyến cho
for Maritime Services
dịch vụ hàng hải
Real-Time Kinematic
Phương pháp đo tương đối động
tức thời
SA
Selective Availability
SBAS
Satellite-based
Sử dụng có lựa chọn
Augmentation Hệ thống tăng cường vệ tinh
Systems
SINEX
Solution
INdependent Định dạng lời giải độc lập
EXchange format
SPP
Standard Point Positioning
Định vị thông thường (tiêu chuẩn)
STEC
Slan Total Electron Content
Ảnh hưởng của tầng điện ly theo
phương truyền sóng tín hiệu
SVD
Singular Value Decomposition
Phương pháp phân tách ma trận
SVD
TBC
Trimble Business Center
Phần mềm xử lý số liệu GNSS TBC
TEC
Total Electron Content
Tổng lượng điện tử theo phương
truyền sóng tín hiệu
Phần mềm thống nhất xử lý sơ bộ
TEQC
số liệu định vị vệ tinh đa hệ
TGO
Trimble Geomatic Office
Phần
mềm
TGO
(của
hãng
Trimble)
TRANSIT
Hệ thống vệ tinh dẫn đường của
hải quân Mỹ
xi
TTC
Trimble Total Control
Phần mềm xử lý số liệu GNSS TTC
UAV
Unmanned Aerial Vehicle
Thiết bị bay không người lái
VMF
Vienna Mapping Function
Hàm ánh xạ Vienna
VRS
Virtual Reference Station
Trạm tham chiếu ảo
VTEC
Vertical Total Electron Content
Tổng lượng điện tử theo phương
thiên đỉnh
xii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị ........................................9
Bảng 2.1 Độ chính xác xác định tọa độ vệ tinh theo thời gian .................................37
Bảng 2.2 Kí hiệu các thành phần thông tin quỹ đạo của một vệ tinh .......................47
Bảng 2.3 Cấu trúc thông tin 4 dòng miêu tả quỹ đạo vệ tinh Glonass trong 1 thời
điểm ...........................................................................................................................49
Bảng 3.1 Trọng số tiên nghiệm khi giải bài toán định vị tuyệt đối...........................66
Bảng 4.1 Thông tin về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối .................................107
Bảng 4.2 Tọa độ các điểm xác định được trong ITRF ............................................108
Bảng 4.3 Giá trị phương sai tiên nghiệm của các ẩn số khi giải bài toán sử dụng
phép lọc Kalman .....................................................................................................110
Bảng 4.4 Thông tin về các cạnh đo .........................................................................110
Bảng 4.5 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 1 ..............111
Bảng 4.6 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 2 ..............113
Bảng 4.7 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 3 ..............117
Bảng 4.8 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 4 ..............119
Bảng 4.9 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 5 ..............122
Bảng 4.10 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 6 ............127
Bảng 4.11 Kết quả tính cạnh giữa các tâm pha ăng ten ..........................................129
Bảng 4.12 Kết quả tính số hiệu chỉnh do độ cao ăng ten ........................................129
Bảng 4.13 Kết quả tính cạnh giữa các tâm mốc......................................................129
Bảng 4.14 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm TBC ................................................130
Bảng 4.15 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm HGO ...............................................130
Bảng 4.16 So sánh kết quả giải cạnh giữa phần mềm tự lập với kết quả tính bằng
phần mềm HGO lời giải dạng triple ........................................................................130
Bảng 4.17 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với kết quả tính bằng
phần mềm HGO lời giải dạng fixed ........................................................................131
Bảng 4.18 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với phần mềm TBC .131
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu về công nghệ định vị vệ tinh nói chung;
nghiên cứu về thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS nói riêng đã
và đang diễn ra sâu, rộng để tạo dựng thành chu trình khép kín từ phần cứng tới
phần mềm cho các ứng dụng của công nghệ GNSS. Trong định vị vệ tinh có hai bài
toán cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối. Theo mức độ chính xác, định
vị tuyệt đối chia làm hai bài toán là bài toán SPP và bài toán PPP. Trong định vị
tương đối, tùy thuộc trạng thái của máy thu và thời gian xử lý chia thành các
phương pháp định vị tương đối tĩnh, tương đối động xử lý sau và tương đối động
tức thời. Việc sử dụng trị đo pha sóng tải để giải các bài toán định vị giúp nâng cao
độ chính xác giải bài toán nhưng đồng thời cũng phát sinh bài toán giải (xác định)
số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng) trong trị đo pha sóng tải. Sự phát triển
của công nghệ chế tạo máy thu GNSS và mạng thông tin internet cho ra đời mạng
lưới các trạm thu tín hiệu liên tục và phương thức xử lý dữ liệu trực tuyến. Bên cạnh
sự phát triển các bài toán và phương pháp định vị, vấn đề nghiên cứu ứng dụng tín
hiệu GNSS trong nghiên cứu địa động, nghiên cứu khí quyển cũng diễn ra rất mạnh
mẽ. Trong sự phát triển đó, không thể không nhắc đến vai trò của các trường đại
học với các nghiên cứu về thuật toán cũng như xây dựng phần mềm mà trong đó
phải nhắc tới là Viện thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ), đó là một điển hình
về phát triển phần mềm xử lý số liệu GNSS.
Được đưa vào Việt Nam từ những năm 1990, công nghệ GNSS cũng đã
chứng tỏ được ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác khi sử dụng trong các đơn
vị sản xuất trắc địa - bản đồ. Về nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS cũng như
nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS, đã có các công trình được công bố bởi
một số nhà khoa học như PGS.TS Đặng Nam Chinh, PGS.TSKH Hà Minh Hòa,
PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu … cung cấp kiến thức tổng quát về công nghệ GNSS.
Đã có các công bố về nghiên cứu xây dựng phần mềm như PGS.TSKH Hà Minh
Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu công bố gói phần mềm GUST dùng để xử lý cạnh
2
dài; TS Nguyễn Thị Thanh Hương và nhiều người khác đã công bố kết quả xây
dựng phần mềm GNSS-PRO xử lý dữ liệu cạnh ngắn kết hợp tín hiệu
GPS/GLONASS; Trung tâm NAVIS (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã xây dựng giải
pháp định vị (cả phần cứng và phần mềm) độ chính xác cao dựa trên các trạm tham
chiếu. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại việc ứng dụng công nghệ GNSS ở Việt
Nam vẫn thuần túy dựa trên máy và phần mềm của nước ngoài. Với các ứng dụng
GNSS rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhu cầu xây dựng phần mềm GNSS nhằm
chủ động trong ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam là nhu cầu cần thiết. Cùng
với việc công bố kết quả xây dựng phần mềm, các tác giả đã công bố thuật toán xử
lý số liệu GNSS tuy nhiên đa số các công bố mới chỉ ở dạng rời rạc, không thành
quy trình tính cụ thể và chưa đầy đủ (thiếu các thuật toán về PPP, RTK ….).
Tháng 9 năm 2011, khi mà đa số các đơn vị sản xuất trong lĩnh vực trắc địa bản đồ tại Việt Nam đang quen với việc sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35, TGO
thì hai phần mềm này hết thời gian sử dụng. Việc đột ngột dừng không hỗ trợ cho
các phần mềm GPSurvey 2.35, TGO đã khiến nhiều đơn vị sản xuất chậm bàn giao
thành quả do đo xong mà không xử lý được số liệu. Đây là một minh chứng rõ nét
về việc cần chủ động trong khai thác, sử dụng công nghệ tại Việt Nam. Việc mua
phần mềm của nước ngoài rất tốn kém về kinh tế (1 phiên bản phần mềm thông
dụng có giá vài nghìn đô la Mỹ, 1 phiên bản phần mềm chuyên dụng như Bernese
giá hơn 20 nghìn đô la Mỹ). Người Việt Nam vốn có năng khiếu về công nghệ
thông tin nói chung và lập trình nói chung nhưng sau hơn 30 năm ứng dụng công
nghệ GNSS tại Việt Nam vẫn dùng phần mềm của nước ngoài.
Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, trường Đại học Mỏ - Địa chất là
cơ sở đào tạo lớn về trắc địa - bản đồ của cả nước nhưng cho đến thời điểm hiện tại
vẫn chỉ đơn thuần sử dụng phần mềm của nước ngoài trong giảng dạy định vị vệ
tinh cho các bậc học. Để có thể nâng cao chất lượng đào tạo đáp ứng yêu cầu của xã
hội nhất thiết phải xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về xử lý số liệu GNSS nói
chung và xây dựng phần mềm xử lý số liệu GNSS nói riêng.
3
Để có thể xây dựng phần mềm xử lý số liệu nhằm chủ động trong ứng dụng
công nghệ GNSS ở Việt Nam nhất thiết cần phải tiếp tục nghiên cứu về thuật toán
xử lý số liệu GNSS. Đối với các đơn vị không sản xuất máy thu, nghiên cứu xử lý
số liệu GNSS từ định dạng RINEX là hướng đi hợp lý giống như cách làm của các
trường đại học trên thế giới (ví dụ như Đại học Bern - Thụy Sỹ).
Xuất phát từ các yêu cầu nêu trên, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thuật
toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát
triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ở Việt Nam” mang ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cao.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Làm rõ các thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối.
- Xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh từ định dạng RINEX.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Định dạng dữ liệu RINEX.
- Phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS.
- Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh.
- Phương pháp xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS.
4. Phạm vi nghiên cứu
- Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh từ dữ liệu RINEX.
- Mặc dù tên luận án có đề cập đến xử lý dữ liệu GNSS nhưng luận án này
chủ yếu tập trung nghiên cứu các thuật toán xử lý dữ liệu GPS một tần số. Bài toán
xử lý số liệu GNSS sử dụng trị đo một tần số là bài toán cơ bản, việc nắm rõ và
tường minh quy trình tính bài toán này sẽ tạo điều kiện phát triển giải các bài toán
nhiều tần số.
5. Nội dung nghiên cứu
- Các trị đo trong công nghệ GNSS và định dạng dữ liệu.
- Ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS và biện pháp khắc phục.
- Phương pháp xác định tọa độ vệ tinh từ lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh
chính xác.
4
- Thuật toán tìm kiếm số nguyên đa trị.
- Ứng dụng phép lọc Kalman trong xử lý số liệu định vị vệ tinh.
- Quy trình giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối xử lý sau.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, số liệu liên quan đến nội
dung của luận án.
- Phương pháp phân tích: Phân tích những gì các tác giả khác đã làm được,
những gì cần tiếp tục thực hiện, ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý số liệu
định vị vệ tinh …
- Phương pháp tổng hợp: Dựa trên các tài liệu thu thập được tiến hành tổng
hợp kiến thức để tìm được các nội dung kiến thức phù hợp nhất cho luận án.
- Phương pháp mô hình hóa: Nghiên cứu xây dựng một số thuật toán trong
xử lý số liệu định vị vệ tinh.
- Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên các thuật toán đã lựa chọn, xây dựng
chương trình tính thực nghiệm của luận án.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Đã xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng thuật toán xử lý
dữ liệu GNSS dạng RINEX phục vụ lập trình giải các bài toán định vị vệ tinh.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng để xử lý dữ liệu
GNSS dạng RINEX trong các nội dung định vị trên lãnh thổ Việt Nam.
8. Các luận điểm bảo vệ và các luận điểm mới của luận án
a. Các luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Xử lý số liệu GNSS được thực hiện trong hệ 4D (không gian
- thời gian) với các trị đo và sai số liên tục biến đổi, vì thế vấn đề đồng bộ thời gian
và tính toán các số cải chính thay đổi theo thời gian mang tính quyết định tới chất
lượng của lời giải các bài toán định vị. Phương pháp đồng bộ hóa thời gian bằng
cách tính số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian đảm bảo yêu cầu về đồng
bộ hóa thời gian trong xử lý số liệu GNSS.
5
Luận điểm 2: Phương pháp tính trọng số bằng cách ước lượng phương sai
theo tiêu chuẩn của Ủy ban vô tuyến vũ trụ (RTCA) cho hiệu quả cao hơn phương
pháp tính trọng số theo hàm của góc cao vệ tinh.
Luận điểm 3: Chương trình xử lý số liệu GNSS đã được xây dựng cho
phép xử lý sau bài toán định vị tuyệt đối có độ chính xác tương đương định vị vi
phân (DGPS) phục vụ định vị trên biển.
b. Các điểm mới của luận án
- Đề xuất công thức đồng bộ thời gian do đạo hàm bậc nhất của khoảng
cách theo thời gian.
- Đề xuất công thức tính chuyển chiều dài cạnh từ các tâm ăng ten về các
tâm mốc trắc địa.
- Ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phương sai của các nguồn
sai số đối với trị đo theo tiêu chuẩn của RTCA và phép lọc Kalman trong xử lý số
liệu GNSS.
- Đề xuất ứng dụng thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối trong trường
hợp nhảy đồng hồ máy thu.
9. Kết cấu của luận án
Gồm 3 phần chính:
(1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên
cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm
bảo vệ và những điểm mới của luận án.
(2) Phần nội dung gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về thuật toán và phần mềm xử lý số liệu GNSS
Chương 2: Trị đo GNSS và vấn đề hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai
số đối với trị đo
Chương 3: Thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối
Chương 4: Xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS và tính toán thực nghiệm
(3) Phần kết luận và kiến nghị.
6
10. Cơ sở tài liệu
- Số liệu sử dụng trong tính toán thực nghiệm là các số liệu đo tại Việt Nam
và trên thế giới đã được chuyển đổi về định dạng RINEX, các dữ liệu phụ trợ được
lấy về từ internet.
- Nghiên cứu sinh đã tham khảo tài liệu từ các đề tài mà mình trực tiếp tham
gia và các báo cáo tổng kết đề tài, nhiều bài báo, công trình trong và ngoài nước liên
quan đến nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS.
11. Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh,
các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý
đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điều
kiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, các thầy cô giáo trong Khoa, các
nhà khoa học trong và ngoài trường đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu
sinh hoàn thiện tốt hơn bản luận án của mình.
Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dành
những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhất
khóa học của mình.
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM
XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS
1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán
Công nghệ GPS nói riêng và công nghệ GNSS nói chung đang được ứng
dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Để có các kết quả như vậy, đã có rất
nhiều các nghiên cứu sâu, rộng về chế tạo vệ tinh, chế tạo máy thu, thuật toán giải
các bài toán cũng như xây dựng các phần mềm xử lý số liệu GNSS. Từ các kết quả
nghiên cứu đó, ứng dụng của GNSS hiện nay đã hình thành các quy trình khép kín
từ phần cứng đến phần mềm. Cũng từ các nghiên cứu đó, rất nhiều các công trình
nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS đã được công bố.
Trước hết có thể kể đến các công bố về thuật toán được công bố trong các
sách giáo khoa về GNSS như Hofmann-Wellenhof [59], Teunissen [61], Alfred
Leick [63], Montenbruck [76] … Các công trình nêu trên tổng hợp kết quả nghiên
cứu của rất nhiều các tác giả khác nhau nhằm cung cấp đến người đọc từ các kiến
thức cơ bản nhất về công nghệ GNSS đến công thức giải các bài toán định vị. Tuy
nhiên, trong các tài liệu đó, hầu hết không đề cập tới thuật toán phục vụ cho lập
trình máy tính và trình tự tính toán tường minh.
Để có thể giải các bài toán định vị, các tác giả giới thiệu từ hệ thống các
công thức tính tọa độ vệ tinh theo thời gian; các loại trị đo, ảnh hưởng của các
nguồn sai số đối với trị đo cũng như biện pháp khắc phục; giới thiệu các bài toán
định vị và phương pháp giải các bài toán định vị. Phương pháp giải các bài toán
định vị cơ bản được giới thiệu đó là bài toán định vị tuyệt đối và bài toán định vị
tương đối. Theo mức độ chính xác, bài toán định vị tuyệt đối được chia thành hai
bài toán là bài toán định vị tuyệt đối thông thường và bài toán định vị tuyệt đối
chính xác. Bài toán định vị tuyệt đối thông thường hay còn gọi là bài toán dẫn
đường sử dụng các yếu tố đầu vào là lịch vệ tinh quảng bá và trị đo khoảng cách giả
theo mã. Khác với bài toán SPP, bài toán PPP sử dụng lịch vệ tinh chính xác, sử
8
dụng đồng thời trị đo khoảng cách giả theo mã và trị đo pha sóng tải, các sản phẩm
cung cấp bởi IGS và một số tổ chức khoa học khác, có tính đến số hiệu chỉnh do
ảnh hưởng của thủy triều, địa triều và sự di chuyển của cực Trái Đất như đã trình
bày bởi Martin.I [66], Ramalho Marreire.J.P [67] … Phép lọc Kalman được sử dụng
trong giải bài toán định vị tuyệt đối, tùy thuộc vào phương pháp định vị tĩnh hay
động mà các yếu tố như ma trận trạng thái, ma trận trọng số tiên nghiệm trong chu
trình Kalman sẽ khác nhau.
Định vị tương đối được chia thành định vị tương đối tĩnh và định vị tương
đối động. Do đặc điểm của bài toán tương đối tĩnh là có nhiều trị đo, xử lý sau cho
nên phương pháp số bình phương nhỏ nhất thường được dùng để giải bài toán này.
Trong giải bài toán định vị tương đối tĩnh, một vấn đề rất quan trọng phải được thực
hiện đó là ước lượng phương sai cho các trị đo. Tùy thuộc vào phần mềm xử lý số
liệu mà trị đo được sử dụng có thể chỉ là các trị đo pha sóng tải [89] hoặc sử dụng
đồng thời trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã [93], [94]. Bài toán
định vị tương đối động, do đặc thù có ít trị đo (chỉ có 1 tập hợp không nhiều trị đo
nếu là phương pháp RTK), để giải được bài toán này cần phải sử dụng cả trị đo
khoảng cách giả theo mã, trị đo pha sóng tải và giải nghiệm sử dụng phép lọc
Kalman [96]. Ngoài các bài toán định vị truyền thống, các bài toán khác cũng đã
được trình bày như bài toán định vị với trạm CORS [47], xác định các yếu tố đặc
trưng cho tầng khí quyển như PWV, TEC [76]; xử lý kết hợp số liệu GNSS/INS, kết
hợp số liệu GNSS với đo cao vệ tinh [76] …
Bên cạnh các tài liệu cung cấp tổng hợp kiến thức về GNSS, có các tài liệu
cung cấp kiến thức về một nội dung chuyên biệt như [78] chỉ bàn về vấn đề giải số
nguyên đa trị. Tác giả Verhagen.S trong [78] đã thống kê các phương pháp giải số
nguyên đa trị như trong bảng 1.1.
9
Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị
Tên phương pháp
Viết tắt
Kỹ thuật giải số nguyên đa trị theo LSAST
phương pháp số bình phương nhỏ nhất
Phương pháp giải nhanh số nguyên đa trị FARA
Cải tiến phân tách Cholesky
Bình sai tương quan số nguyên đa trị LAMBDA
theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất
Phương pháp rỗng
Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng FASF
phép lọc
Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng 3 TCAR
loại sóng tải
Tích hợp TCAR
Phương pháp tối ưu giải số nguyên đa trị OMEGA
Phương pháp giải số nguyên đa trị theo CIR
dòng
Tác giả, năm công bố
Hatch (1990)
Frei và Beutler (1990)
Euler và Landau (1992)
Teunissen (1993)
Martin-Neira và những
người
khác
(1995);
Fernandez-Plazaola
và
những người khác (2004)
Chen
và
Lachapelle
(1995)
Harris (1997)
Vollath và những người
khác (1998)
Kim và Langley (1999)
Jung và những người khác
(2000)
Vì tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có trước đó nên nội dung trình bày
trong các cuốn sách thường là muộn hơn so với thời điểm công bố các thuật toán cụ
thể (đơn lẻ). Thông thường, khi có các thuật toán mới được đề xuất, vấn đề đó sẽ
được công bố trên các tạp chí hoặc các hội nghị khoa học lớn về chuyên ngành.
Thuật toán giải các bài toán định vị tuy được công bố rộng rãi trên rất
nhiều các công trình khác nhau nhưng thông tin chỉ mang tính tổng quát và
không phải lúc nào cũng có thể làm theo được. Thông thường, các thuật toán
sau khi được nghiên cứu sẽ được chuyển giao để chuyển thành các sản phẩm
thương mại hóa, có bản quyền.
Tính cho đến thời điểm hiện tại, định vị tương đối đã cho độ chính xác rất
cao nên ở nước ngoài các nghiên cứu về xử lý số liệu GNSS tập trung vào nâng cao
10
độ chính xác định vị PPP tức thời, định vị GNSS - indoor, GNSS-R và thuật toán xử
lý số liệu GNSS trên các thiết bị thông minh … [76].
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm
Dựa trên các thuật toán đã được xây dựng, rất nhiều các phần mềm xử lý số
liệu GNSS đã được xây dựng và được chia thành các nhóm như sau:
a. Nhóm các phần mềm thông dụng
Mỗi hãng khi chế tạo máy thu đều xây dựng cho mình phần mềm xử lý số
liệu đo đạc. Có thể kể đến một số phần mềm trong nhóm này như sau:
- Hãng Trimble (Mỹ): GPSurvey, TGO (Trimble Geomatic Office), TTC
(Trimble Total Control), TBC (Trimble Business Center).
- Hãng Topcon (Nhật Bản): Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tool.
- Hãng Leica (Thụy Sỹ): Leica GNSS Spider.
- GMC manufacture (Trung Quốc): Hi-Target …..
Đặc trưng của nhóm phần mềm này là dùng để xử lý cạnh ngắn và trung bình
với yêu cầu độ chính xác ở mức thông thường. Sau đây là hình ảnh về giao diện của
một số phần mềm thuộc nhóm phần mềm này.
Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center
11
Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control
Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office
Khi xử lý số liệu GNSS bằng nhóm phần mềm này đều có một quy trình
chung như sau:
- Tạo dự án (project) mới.
- Khai báo hệ tọa độ và chọn phép chiếu.
- Lựa chọn mô hình geoid.
- Nhập số liệu.
