Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

ĐÀO VŨ HIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

Đào Vũ Hiệp

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC
VÀ MỘT SỐ GIẢI PHÁP THỬ NGHIỆM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật máy tính và Truyền thơng

KHỐ 2010B

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Tạ Hải Tùng

Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Đào Vũ Hiệp

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC VÀ

MỘT SỐ GIẢI PHÁP THỬ NGHIỆM

Chuyên ngành : Kỹ thuật máy tính và truyền thơng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật máy tính và Truyền thơng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Tạ Hải Tùng

Hà Nội – Năm 2011


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Mục lục

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... 3
T
0
3

30T

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. 4
T
0
3

30T

Danh mục thuật ngữ viết tắt............................................................................................... 5
T
0
3

30T

Danh mục hình vẽ ............................................................................................................. 6
T
0
3

30T

Danh mục bảng biểu .......................................................................................................... 7
T
0
3

30T

Phần mở đầu...................................................................................................................... 8
T
0
3

30T

Chương 1.

T
0
3

1.1
T
0
3

T
0
3

1.2
T
0
3

T
0
3

30T

30T

Các hệ thống định vị vệ tinh tiêu biểu ................................................................ 12
30T

T

0
3

Hệ thống GPS – Mỹ ................................................................................... 12

1.2.1

30T

30T

30T

30T

30T

T
0
3

30T

Các thành phần cơ bản của một hệ thống định vị sử dụng vệ tinh ...................... 15
T
0
3

1.3.1

Phần không gian......................................................................................... 15

30T

30T

30T

30T

30T

T
0
3

30T

Phương pháp định vị sử dụng hệ thống GPS ...................................................... 16
T
0
3

Nguyên tắc định vị ..................................................................................... 16

1.4.1

30T

30T

30T

30T

30T

T
0
3

T
0
3

Xử lý dữ liệu – tính tốn vị trí .................................................................... 21

1.4.3
T
0
3

T
0
3

Xác định khoảng cách sử dụng mã PRN ..................................................... 19

1.4.2
T

0
3

1.5

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

30T

Phần người sử dụng.................................................................................... 16

1.3.3
T
0
3

30T

Phần điều khiển .......................................................................................... 15

1.3.2
T
0
3

1.4

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

T
0
3

Hệ thống GLONASS – Nga ....................................................................... 14

1.2.3

T
0
3

T
0
3

Hệ thống GALILEO – EU .......................................................................... 14

1.2.2
T
0
3

1.3

T
0
3

Giới thiệu chung................................................................................................ 12
30T

T
0
3

T
0

3

Tổng quan về định vị sử dụng vệ tinh ......................................................... 12
30T

30T

T
0
3

Định vị chính xác và các ứng dụng .................................................................... 25
30T

T
0
3

Ứng dụng của định vị chính xác trong khảo sát........................................................ 25
T
0
3

T
0
3

Ứng dụng của định vị chính xác trong giám sát thay đổi dựa trên GPS .............. Error!
Bookmark not defined.
T

0
3

T
0
3

Chương 2.
T
0
3

2.1
T
0
3

T
0
3

2.2
T
0
3

T
0
3

T
0
3

Tổng quan về định vị chính xác ......................................................................... 28
T
0
3

Nguồn sai số và các phương pháp khắc phục ..................................................... 28
30T

T
0
3

30T

2.2.2
T
0
3

Các khái niệm cơ bản về định vị chính xác ................................................. 28
30T

30T

2.2.1
T

0
3

30T

30T

Sai số do lịch thiên văn.............................................................................. 28
30T

T
0
3

Sai số đồng hồ ............................................................................................ 29
30T

30T

1


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Sai số tầng điện ly ...................................................................................... 30

2.2.3
T
0
3

30T

30T

Sai số tầng đối lưu ...................................................................................... 31

2.2.4
T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

Mơ hình tốn học và các phương pháp xử lý dữ liệu để khắc phục lỗi................ 36

T
0
3

30T

T
0
3

Nhóm các phương pháp kết hợp ................................................................. 37

2.4.1
T
0
3

30T

30T

30T

T
0
3

T
0
3

Chương 3.
3.1

30T

30T

T
0
3

Xác định số nguyên nhập nhằng ........................................................................ 46

3.3

T
0
3

30T

3.4

T
0
3

Network RTK.................................................................................................... 50

T
0
3

30T

3.5

30T

Wide Area RTK ................................................................................................ 52

T
0
3

30T

30T

Chương 4.
T
0
3

4.1
T
0
3

30T

30T

Tiền xử lý dữ liệu .............................................................................................. 55

T
0
3

30T

30T

Phát hiện trượt pha ..................................................................................... 56

4.2.1
T
0
3

30T

30T

30T

30T

30T

30T

30T

4.3

30T

4.4

Thử nghiệm và kết quả ...................................................................................... 64

T
0
3

30T

30T

Chương 5.
5.1

30T

Thử nghiệm xử lý dữ liệu GPS phục vụ định vị chính xác tại Việt Nam ..... 67
30T

T
0
3

Giới thiệu về GPStk .......................................................................................... 67

T

0
3

30T

30T

5.1.1
T
0
3

30T

5.1.2
T
0
3

30T

5.1.3
T
0
3

30T

5.1.4
T

0
3

30T

Mô tả chung về GPSTk .............................................................................. 67
30T

T
0
3

Cấu trúc GPSTk ......................................................................................... 68
30T

30T

Chức năng ban đầu GPSTk......................................................................... 69
30T

T
0
3

Giải thích cấu trúc dữ liệu GNSS................................................................ 71
30T

T
0
3

Kịch bản thử nghiệm và kết quả ........................................................................ 72

5.2

T
0
3

30T

Kết luận
T
0
3

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

30T

Phép lọc ............................................................................................................ 62

T
0
3

T
0
3

T
0
3

Kết hợp giải phóng lỗi ở tầng điện ly.......................................................... 60

4.2.4
T
0
3

T
0
3

Khắc phục ảnh hưởng từ sự thay đổi của vị trí ............................................ 60

4.2.3

T
0
3

T
0
3

Khắc phục ảnh hưởng từ vệ tinh ................................................................. 58

4.2.2
T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

4.2

T
0
3

Kỹ thuật định vị chính xác tĩnh................................................................... 54
30T

Giới thiệu chung................................................................................................ 54

T
0
3

T
0
3

T
0
3

Kỹ thuật xử lý sai phân đơi độ đo pha sóng mang ............................................. 44

T
0
3

T
0
3

Kỹ thuật định vị chính xác động thời gian thực........................................... 43
30T

30T

3.2

T
0
3

30T

Giới thiệu chung................................................................................................ 43

T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

30T

Các kĩ thuật định vị có độ chính xác cao ............................................................ 41

2.5

T
0
3

T
0
3

Nhóm các phương pháp sai phân ................................................................ 39

2.4.2
T
0
3

T
0
3

30T

30T

2.4
T
0
3

30T

Dịch vụ GPS quốc tế cung cấp một số tham số chữa lỗi..................................... 31

2.3
T
0
3

30T

30T

T
0
3

77

Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 79
T

0
3

30T

2


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Tạ Hải Tùng giảng viên bộ mơn Truyền
thơng và Mạng máy tình, Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông đã hết sức
quan tâm, tận tình giúp đỡ cũng như chỉ bảo, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận
lợi nhất giúp tôi hồn thành luận văn của mình.
Tơi cũng xin cảm ơn tập thể các giảng viên và sinh viên tại Viện Công nghệ thông
tin và Truyền thông và Trung tâm Navis, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
định hướng giúp đỡ, cung cấp thông tin cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng
như thực hiện luận văn của mình.
Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình và người thân đã hết
lịng ủng hộ, khích lệ tinh thần và ln động viên tơi vào những lúc khó khăn nhất
để tơi có thêm động lực hoàn thành luận văn này.

3


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

LỜI CAM ĐOAN
Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của TS Tạ Hải Tùng, cuốn luận văn này là

sản phẩm của quá trình tìm tịi, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong
luận văn. Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và
các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định. Vì vậy, tác giả xin
cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng mình.
Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2011
Tác giả

Đào Vũ Hiệp

4


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Danh mục thuật ngữ viết tắt
T
9
1

T
9
1

ANTEX

Antenna Exchange Format

DGPS

Differential GPS

DOP

Dilution of Precision

ECEF

Earth-Centered, Earth-Fixed

GDS

GNSS Data Structures

GNSS

Global Navigation Satellite System

GPStk

GPS Toolkit

IGS

International GPS Services

LMS

Least Mean Squares

NEU

North-East-Up

PPP

Precise Point Positioning

RINEX

Receiver Independent EXchange format

RMS

Root Mean Square

RTK

Real Time Kinematics

SP3

Standard Product #3

TEC

Total Electron Content

WMS

Weighted Least Mean Squares

5


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Danh mục hình vẽ

Hình 1 Vị trí của người sử dụng sẽ nằm trên mặt cầu tâm là vệ tinh ...................... 17
Hình 2. Vị trí của người sử dụng nằm trên đường tròn là giao của hai mặt cầu ...... 17
Hình 3. Vị trí của vệ tinh ....................................................................................... 18
Hình 4. Quan hệ giữa đơ đo khoảng cách và thời gian lan truyền........................... 20
Hình 5. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng tới độ đo ............................................. 29
Hình 6. Sai số tầng điện ly [1] ............................................................................... 30
Hình 7. Kết quả phân giải số nguyên nhập nhằng [4] ............................................. 50
Hình 8. So sánh giữa sai số phép xử lý sai phân ở khoảng cách 44 km và sai số phép
xử lý kết hợp loại bỏ tầng điện ly từ dữ liệu hai tần số ........................................... 51
Hình 9. Sơ đồ ngun lý của mơ hình tầng điện ly sai phân trong Network RTK... 52
Hình 10. Mơ hình tầng điện ly trong WARTK[6] .................................................. 53
Hình 11. Cách xây dựng mơ hình tầng điện ly ....................................................... 53
Hình 12. Hiện tượng trượt pha sóng mang ............................................................. 56
Hình 13. Sai số theo thời gian ................................................................................ 65
Hình 14. Độ suy giảm chính xác của phép lọc theo thời gian ................................. 65
Hình 15. Sai số tầng điện ly ................................................................................... 66
Hình 16. Số nhập nhằng pha sóng mang (đã kết hợp giải phóng lỗi tầng điện ly)... 66
Hình 17. Trạm thu đặt tại thư viện Tạ Quang Bửu ................................................. 67
Hình 18. Skyplot của vệ tinh ................................................................................. 72
Hình 19. Kết quả xử lý dữ liệu chỉ với độ đo mã giả khoảng cách ......................... 73
Hình 20. Kết quả xử lý với độ đo pha sóng mang .................................................. 74
Hình 21. Suy giảm độ chính xác ............................................................................ 75

Hình 22. Số nhập nhằng pha sóng mang ................................................................ 75
Hình 23. Sai số ở tầng đối lưu ............................................................................... 76
U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

U
T
0
3

T
0
3
U

30T
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

30T
U

U
T
0
3

U
T
0
3

T
0
3
U

30T
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

U
T
0
3

T
0
3
U

30T
U

U
T
0
3

T

0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0
3
U

U
T
0
3

U

T
0
3

T
0
3
U

30T
U

6


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Danh mục bảng biểu

Bảng 1. Các đơn vị liên quan tới hệ thống IGS .................................................. 33
Bảng 2. Các sản phẩm của IGS ........................................................................ 34
Bảng 3. Dữ liệu của một epoch thu được .......................................................... 67
Bảng 4. Các chức năng ban đầu của GPStk ....................................................... 71
U
T
0
3

U
T

0
3

U
T
0
3

T
0
3
U

T
0
3
U

T
0
3
U

U
T
0
3

T
0

3
U

7


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Phần mở đầu
Lý do chọn đề tài
Ngày nay trên thế giới, công nghệ dựa trên các hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu
sử dụng vệ tinh(GNSS –Global Navigation Satelite System) đã và đang phát triển
rất mạnh với các hệ thống được biết đến như GPS (của Mỹ), GLONASS (của Nga),
COMPASS (của Trung Quốc) và châu âu cũng đang triển khai một hệ thống của
riêng mình có tên là GALILEO. Trong việc chế tạo bộ thu cho các hệ thống GNSS,
độ chính xác định vị phổ biến vào khoảng 10 m. Tuy nhiên, có một số ứng dụng
dựa trên phép định vị đòi hỏi độ chính xác rất cao như các bài tốn khảo sát, bài
tồn xây dựng bản đồ hay các bài tốn điều khiển chính xác, v.v…Đối với các ứng
dụng này, người ta sử dụng phép định vị chính xác (Precise Positioning), có độ
chính xác đến cm. Trong đó, thay vì sử dụng mã giả khoảng cách, người ta sử dụng
pha sóng mang (Carrier Phases) để tính khoảng cách là do độ đo khoảng cách với
pha sóng mang có sai số nhỏ hơn nhiều so với độ đo mã giả khoảng cách. Tuy
nhiên, khi sử dụng độ đo pha sóng mang lại xuất hiện một tham số khác gọi là các
số nhập nhằng của sóng mang (Carrier Phase Ambiguities) làm cho phép định vị
chính xác phải thu nhiều mẫu, mất nhiều thời gian để xử lý, không thể định vị vật di
chuyển trong thời gian thực được. Nguyên nhân làm cho phép phân giải số nguyên
nhập nhằng mất nhiều thời gian là nằm ở việc các độ đo (pha sóng mang và mã giả
khoảng cách) khi lan truyền từ vệ tinh tới bộ thu bị ảnh hưởng bởi khá nhiều nguồn
gây sai số. Trong đó, sai số gây bởi tầng điện ly là nghiêm trọng nhất. Chính vì vậy,
các phương pháp định vị chính xác đều hướng tới việc sử dụng một hệ thống hỗ trợ,

cung cấp các thông tin để khắc phục các sai số và phần nào làm gia tăng tốc độ phân
giải các số nhập nhằng nói trên.
Nhận thức được những ứng dụng thực tế của phép định vị chính xác sử dụng vệ tinh
tại Việt Nam trong thời điểm hiện tại cũng như tương lai, tác giả đã lựa chọn thực

8


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

hiện luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và
một số giải pháp thử nghiệm”.
Lịch sử nghiên cứu
Trên thực tế, có ba hướng để thực hiện kỹ thuật định vị chính xác sử dụng vệ tinh:
1. Sử dụng hai hoặc nhiều hơn các thiết bị thu. Ý tưởng chính của phương pháp
này chính là sử dụng phương pháp GPS sai phân (DGPS-Differential GPS) để
tính vị trí tương đối giữa bộ thu và trạm tham chiếu đã biết trước vị trí thay vì
xác định vị trí tuyệt đối. Trong trường hợp này, thành phần sai số thường được
coi là ít thay đổi giữa các thiết bị thu, có thể được loại bỏ khi sử dụng phép sai
phân trong điều kiện phù hợp.
2. Lặp lại phép đo. Một chuỗi các tham số quan sát được đưa vào phép lọc để
tính tốn sẽ cho phương sai nhỏ hơn đáng kể và ta sẽ đưa ra được vị trí chính
xác nhất. Nếu bộ thu di chuyển, bộ lọc Kalman có thể tính tốn sự thay đổi
trạng thái và cung cấp kết quả quan sát mới.
3. Đánh giá sai số và cung cấp thông tin về sai số cho bộ thu sẽ làm giảm độ
phức tạp tính tốn cần phải thực hiện ở bộ thu.
Với hướng xử lý đầu tiên, dữ liệu thô (độ đo mã giả khoảng cách và độ đo pha
sóng mang) thu được từ các trạm tham chiếu sẽ được xử lý kết hợp với dữ liệu thô
của bộ thu để loại bỏ hầu hết các sai số, trong đó lớn nhất là sai số từ tầng điện ly.
Phương pháp sử dụng kĩ thuật này có tên gọi là GPS sai phân. Sau đó, dữ liệu kết

hợp này sẽ được sử dụng như đầu vào cho bộ lọc điều hướng, giúp ước lượng số
nguyên nhập nhằng một cách nhanh hơn. Phương pháp này cung cấp định vị chính
xác động thời gian thực nên thường gọi là RTK (Real time Kinematic). Tuy nhiên,
kỹ thuật trên chỉ áp dụng được khi khoảng cách giữa bộ thu và trạm tham chiếu là
nhỏ (dưới 10 km). Điều này xảy ra vì các sai số, trong đó lớn nhất là sai số tầng
điện ly có sự sai khác lớn giữa hai vùng có khoảng cách xa nhau. Hướng xử lý hiện
tượng này thường là xây dựng một hệ thống các trạm tham chiếu, gọi là mạng RTK
(Network RTK). Trong [6], nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp sử dụng

9


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

tối thiểu số lượng trạm tham chiếu nhờ vào việc xây dựng một mơ hình tầng điện ly
và cung cấp sai số cho từng bộ thu. Phương pháp này gọi là WARTK (Wide Area
RTK). Trong đó cần phải xây dựng một hệ thống chức năng trung tâm (CPF –
Central Processing Facility) để xây dựng mô hình tầng điện ly trung tâm.
Ở một hướng nghiên cứu khác, trong cách tiếp cận thứ hai, đạt được độ chính
xác cao (vài cm) chỉ có thể đạt được sau vài giờ tính tốn khi kết quả hội tụ đến một
giá trị chính xác cho phép. Trước đây, hệ thống sẽ phải hoạt động theo mơ hình hậu
xử lý. Tuy nhiên, ngày nay có một hướng nghiên cứu việc cung cấp đấy đủ các
tham số chữa lỗi thông qua dịch vụ IGS (International GPS Services) sẽ làm giảm
đáng kể thời gian ước lượng số nguyên nhập nhằng mà chỉ cần xử dụng bộ thu đa
tần số thay vì nhiều thiết bị thu. Hướng xử lý này được gọi là định vị điểm chính
xác (PPP – Precise Point Positioning)
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận văn bao gồm việc nghiên cứu và tìm hiểu về quá trình xử lý dữ
liệu định vị để khắc phục sai số và các phương pháp để phân giải số nguyên nhập
nhằng. Từ đó, đóng góp lớn nhất của tác giả trong luận văn chính là xây dựng bộ

công cụ thử nghiệm các kỹ thuật trên với dữ liệu từ hệ thống IGS và dữ liệu tự thu
thập tại Việt Nam.
Tóm tắt luận văn
Luận văn được xây dựng gồm 5 chương như sau:
−

Chương 1 có các mơ tả sơ lược về các hệ thống GNSS phổ biến như GPS,
GALILEO, GLONASS. Mặt khác, chương này cũng đưa ra những nguyên tắc
cơ bản của phương pháp định vị sử dụng vệ tinh. Qua đó, cũng giới thiệu về
phép định vị chính xác và các ứng dụng của nó.

−

Chương 2, tác giả trình bày các khái niệm định vị chính xác trong đó tập trung
vào việc phân tích các nguồn gây sai số, các phương pháp khắc phục bao gồm
cả các phương pháp xử lý dữ liệu như phương pháp kết hợp và phương pháp sai

10


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

phân. Cuối cùng, chương này đưa ra các phương hướng chính để phát triển kỹ
thuật định vị chính xác.
−

Chương 3 trình bày về phương pháp định vị chính xác thời gian thực trong đó
phải sử dụng các trạm tham chiếu biết trước vị trí và cung cấp dữ liệu thô. Dữ
liệu này sẽ được kết hợp với dữ liệu của bộ thu theo phương pháp sai phân đơi
sau đó sẽ được đưa vào xử lý với phương pháp LAMBDA để phân giải số

nguyên nhập nhằng trong thời gian thực.

−

Chương 4 trình bày về phương pháp định vị tĩnh, trong đó bộ thu phải được giữ
tĩnh, tuy nhiên lại không cần dữ liệu thô từ các trạm tham chiếu mà chỉ cần các
thông tin về các nguồn sai số được cung cấp bởi dịch vụ IGS.

−

Cuối cùng là chương 5 là những mô tả của tác giả về các thử nghiệm xử lý dữ
liệu để phục vụ định vị chính xác trong mơi trường Việt Nam.

Phương pháp nghiên cứu
Trước tiên, luận văn bao gồm việc nghiên cứu và tìm hiểu một cách sâu sắc về quá
trình xử lý dữ liệu định vị để tính ra vị trí của bộ thu để từ đó đưa ra được những
nguyên nhân đóng góp vào sai số định vị. Từ đó làm cơ sở để tác giả đi vào nghiên
cứu hai hướng phát triển của kỹ thuật định vị chính xác đó là: (1)Kỹ thuật định vị
chính xác động thời gian thực, trong đó sử dụng một hệ thống các trạm tham chiếu
đã biết trước vị trí và cung cấp dữ liệu thô cho bộ thu; (2) Kỹ thuật định vị chính
xác tĩnh, trong đó bộ thu phải được giữ vị trí trong một thời gian dài thì mới cho vị
trí chính xác, nhưng ta lại khơng cần có các trạm tham chiếu cung cấp dữ liệu thô
mà chỉ cần cung cấp một số thông tin về lịch thiên văn vệ tinh, sai số đồng hồ...
Cuối cùng, từ những hiểu biết về các phép xử lý dữ liệu phục vụ định vị chính xác
đã được nghiên cứu ở các phần trước, tác giả đã xây dựng được một số thử nghiệm
xử lý dữ liệu thu thập được tại đơn vị.

11

Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Chương 1.

Tổng quan về định vị sử dụng vệ tinh

1.1 Giới thiệu chung
Định vị là khoa học nghiên cứu việc xác định vị trí vật lý cho một người hoặc
một phương tiện. Các phương pháp định vị thô sơ thường được chúng ta sử dụng
trong cuộc sống hàng ngày ví dụ như thơng qua các dấu mốc trên mặt đất. Tuy
nhiên, trong một số trường hợp yêu cầu độ chính xác, con người phải sử dụng các
biện pháp kĩ thuật nhằm nâng cao độ chính xác, trong đó có biện pháp sử dụng tín
hiệu sóng điện từ. Hệ thống được sử dụng các tín hiệu sóng điện từ tử để định vị
dẫn đường

này cịn được gọi là hệ thống định vị dẫn đường vô tuyến

(Radionavigation aids).
Các hệ thống định vị dẫn đường vô tuyến sử dụng các thiết bị phát sóng vơ tuyến
được đặt tại các vị trí biết trước trên mặt đất, trong khơng gian hoặc trên chính các
phương tiện. Máy thu đặt trên phương tiện sẽ nhận tín hiệu sóng vơ tuyến tại các
máy phát từ đó tính tốn đưa ra các tham số định vị. Ưu điểm của phương pháp này
là cho kết quả với độ chính xác cao, cự ly hoạt động lớn và ít phụ thuộc và điều kiện
thời tiết bên ngồi.
Các hệ thống định vị vơ tuyến được phân làm 2 loại - mặt đất và không gian.
Các hệ thống định vị dẫn đường vô tuyến thế hệ cũ thuộc cả hai loại này đều có
những hạn chế về độ chính xác và khả năng đáp ứng . Chính vì vậy, Mỹ đã nghiên
cứu và đưa vào sử dụng hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu mang tên Global
Positioning System hay còn gọi là GPS nhằm khắc phục những hạn chế trên.
1.2 Các hệ thống định vị vệ tinh tiêu biểu

1.2.1 Hệ thống GPS – Mỹ
Hệ thống GPS hiện nay được coi là hệ thống định vị toàn cầu được sử dụng
rộng rãi nhất, với các tiêu chí hoạt động được hình thành từ những năm 1960. Hệ
thống cho phép người sử dụng trên toàn thế giới xác định được vị trí và vận tốc của
mình thơng qua việc thu tín hiệu và giải mã các thơng tin về vệ tinh được điều chế
trong tín hiệu đó. Hệ thống gồm một chùm 24 vệ tinh được sắp xếp trên 6 mặt
12


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

phẳng quỹ đạo với 4 vệ tinh thuộc mỗi mặt phẳng. Để điều khiển hoạt động của
chùm vệ tinh này, người ta sử dụng một mạng lưới các trạm giám sát và điều khiển
đặt trên mặt đất gồm 1 trạm trung tâm (Master Control Station) và 4 trạm theo dõi
(Monitor Station). Các trạm này có nhiệm vụ giám sát và điều chỉnh quỹ đạo hoạt
động của các vệ tinh cũng như hiệu chỉnh các thông số của đồng hồ trên vệ tinh.
Hệ thống sử dụng khái niệm đo khoảng cách bằng thời gian lan truyền tín hiệu để
xác định khoảng cách từ vệ tinh tới bộ thu (TOA ranging – time of arrival
ranging)[1]. Trong vệ tinh có một đồng hồ ngun tử chính xác, được đồng bộ hóa
với đồng hồ của hệ thống GPS. Mã giả nhiễu ngẫu nhiên ( PseudoRandom Noise)
được sinh dựa trên nhịp của đồng hồ này sẽ được lan truyền tới bộ thu để làm nhiệm
vụ xác định khoảng cách giữa vệ tinh và bộ thu. Các vệ tinh phát tín hiệu có mã
PRN riêng biệt, nhờ đó ta phân biệt được tín hiệu của từ vệ tinh.
Mã giả ngẫu nhiên và dữ liệu dẫn đường (Navigation Data) được điều chế vào các
tín hiệu thuộc hai tần số L1 (1575,42 MHz) và L2(1227,6 MHz) bằng kỹ thuật đa
truy cập phân theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access).Dữ liệu dẫn
đường bao gồm [1]:
−

Thời gian phát của vệ tinh

−

Vị trí của vệ tinh

−

Trạng thái hoạt động của vệ tinh.

−

Thông tin để hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.

−

Ảnh hưởng của trị số trễ do truyền sóng.

−

Chuyển đổi thời gian GPS, UTC

−

Trạng thái chịm vệ tinh.
Hệ thống GPS cung cấp 2 loại dịch vụ, dành cho cả dân sự và quân sự. 2 dịch

vụ này còn được gọi là Standard Positioning Service (SPS) và Precise Positioning
Service (PPS) trong đó SPS. Điểm khác nhau cơ bản giữa 2 dịch vụ này là chúng
cung cấp độ chính xác khác nhau trong việc định vị một đối tượng. Dịch vụ SPS
được thiết kế cho mục đích dân dụng và có độ chính xác thấp hơn so với dịch vụ

13


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

PPS vốn được thiết kế cho các hoạt động quân sự. Trong khi PPS bị mã hóa thì
người dùng bình thường chỉ có thể truy cập tới dịch vụ SPS.
1.2.2 Hệ thống GALILEO – EU
Hệ thống định vị GALILEO là hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu được xây dựng
bởi Liên minh châu Âu EU. GALILEO khác với GPS ở chỗ nó là hệ thống được
xây dựng và quản lý bởi các tổ chức dân dụng, phi quân sự.
Về mặt cấu trúc, hệ thống bao gồm 30 vệ tinh hoạt động ở tầm trung (MEO –
Medium Earth Orbit) với 27 vệ tinh hoạt động thường trực và 3 vệ tinh dự phòng
nhằm tăng độ tin cậy. Bên cạnh đó là một mạng lưới các trạm điều khiển trên mặt
đất.
Về mặt chức năng, hệ thống GALILEO cung cấp các dịch vụ cơ bản, đó là :
− Dịch vụ mở (open service) : là dịch vụ miễn phí với mọi đối tượng, với độ chính
xác tương đương với hệ thống GPS.
− Dịch vụ trả phí (commercial service) : là dịch vụ dành cho đối tượng yêu cầu độ
chính xác cao. Dịch vụ này được cung cấp trên tần số riêng và yêu cầu cước phí
sử dụng.
− Dịch vụ cứu hộ (safety of life) : là dịch vụ dành riêng cho công tác cứu hộ cứu
nạn, với độ chính xác và chống nhiễu cao.
− Dịch vụ cơng cộng (public regulated service) : là dịch vụ đặc biệt dành cho
chính phủ các nước thuộc Liên minh châu Âu với đặc điểm là độ chính xác cao
và độ bảo mật lớn.
1.2.3 Hệ thống GLONASS – Nga
GLONASS là hệ thống vệ tinh định vị tồn cầu của Liên Xơ cũ và Nga hiện tại.
Hệ thống bao gồm 24 vệ tinh với mục tiêu chủ yếu là cung cấp dịch vụ định vị và

dẫn đường trên lãnh thổ Nga.
Hệ thống GLONASS từ khi được đưa vào sử dụng đến nay đã trải qua ba thế
thệ là GLONASS, GLONASS-M và GLONASS-K. Mỗi thế hệ mới lại cải tiến

14


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

thêm nhiều đặc điểm như tăng thời gian sử dụng (từ 7-10 năm), cải tiến về mặt tần
số.
1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ thống định vị sử dụng vệ tinh
Các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh tuy có cấu trúc khác nhau nhưng đều bao gồm
3 thành phần cơ bản chính, đó là :
− Phần khơng gian: các vệ tinh trong không gian
− Phần điều khiển: điều khiển và hiệu chỉnh hệ thống
− Phần người sử dụng: bộ thu và xử lý tín hiệu vệ tinh
1.3.1 Phần khơng gian
Phần khơng gian chính là các vệ tinh định vị. Các vệ tinh được thiết kế tùy thuộc
vào từng hệ thống cụ thể, nhưng nhìn chung đều chứa các thành phần nhằm đảm
bảo hoạt động của vệ tinh trên quỹ đạo như các tấm pin năng lượng mặt trời, các bộ
phận cảm biến. Đồng thời, chúng cũng chứa các trang thiết bị thu nhận tín hiệu điều
khiển và truyền phát tín hiệu định vị.
Phần không gian của hệ thống GPS bao gồm một chùm 24 vệ tinh, trong đó có
21 vệ tinh ở trạng thái hoạt động, 3 vệ tinh còn lại được sử dụng để dự phòng cho
hệ thống.
Các vệ tinh được sắp xếp trên 6 mặt phẳng quỹ đạo tròn và nghiêng so với mặt
phẳng xích đạo một góc bằng 550. Trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo có từ 3 đến 4 vệ
P

P

tinh cùng hoạt động và các vệ tinh này lệch pha nhau 900. Các quỹ đạo này nằm ở
P

P

độ cao 26.000km. Các vệ tinh được sắp xếp trong không gian sao cho hầu hết các
vùng trên mặt đất ln nhìn thấy được ít nhất 4 vệ tinh trong suốt 24 giờ một
ngày[1].
1.3.2 Phần điều khiển
Phần điều khiển bao gồm : trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và
các trạm theo dỗi vệ tinh (Monitor Station). Các trạm này được đặt rải rác trên mặt
đất, liên tục giám sát đường đi của các vệ tinh trong không gian. Số liệu thu nhận

15


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

được từ các trạm giám sát được gửi đến trạm trung tâm và tại đây dữ liệu được
chỉnh sửa cho phù hợp rồi phát lên vệ tinh.
Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ :
− Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo cũng như đồng hồ vệ tinh
− Tính tốn và gửi các bản tin hiệu chỉnh đến cho các vệ tinh.
− Tại trạm điều khiển trung tâm có các đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao,
cung cấp thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử của các vệ tinh
1.3.3 Phần người sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Kiểu loại thiết bị thu nhận hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay như trên điện

thoại di động đến các hệ thống phức tạp phục vụ các công tác yêu cầu độ chính xác
cao như các trung tâm điều hành bay. Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm
anten thu, bộ phận giải mã, bộ phận tính tốn vị trí.
Các thiết bị này đóng vai trị quan trọng trong việc xác định vị trí người sử dụng.
Các bộ thu phổ biến trên thị trường hiện nay đều chỉ hoạt động trên một tần số và sử
dụng mã giả khoảng cách làm độ đo khoảng cách. Đối với những ứng dụng địi hỏi
độ chính xác cao, thiết bị có thể phải thu được hai tần số tín hiệu và cho phép sử
dụng pha sóng mang để định vị.
1.4 Phương pháp định vị sử dụng hệ thống GPS
1.4.1 Nguyên tắc định vị
Giả sử rằng khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh thứ nhất là p 1 , khi đó vị trí bộ thu
R

nằm trên mặt cầu S 1 có tâm là vệ tinh đó và bán kính là p 1 .
R

R

R

16

R

R


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Hình 1 Vị trí của người sử dụng sẽ nằm trên mặt cầu tâm là vệ tinh

Nếu biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ hai là p 2 thì vị trí bộ thu được
R

R

xác định trên đường tròn O là giao của hai mặt cầu S 1 và S 2 .
R

R

R

R

Hình 2. Vị trí của người sử dụng nằm trên đường trịn là giao của hai mặt cầu

Khi biết được khoảng cách p 3 đến vệ tinh thứ ba thì ta có thể xác định được vị
R

R

trí bộ thu ở một trong hai giao điểm của đường tròn trên với mặt cầu thứ ba.
Như vậy, bằng các phép đo khoảng cách từ bộ thu đến 3 vệ tinh, ta có thể xác
định được 2 vị trí có thể có của vật thể đó trong khơng gian. Chỉ một trong 2 vị trí
này là vị trí chính xác của máy thu.
Phép đo khoảng cáchở trên cho ta 3 phương trình độc lập với nhau cần thiết để
xác định 3 ẩn số. 3 ẩn số này là tọa độ (x,y,z) của vật thể trong không gian 3 chiều.
Khi kể đến sai số đồng hồ của máy thu, tất cả các phép đo cự ly đã thực hiện ở trên
sẽ đồng thời bị ảnh hưởng bởi sai số này. Do đó, để xác định chính xác được vị trí

17


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

của vật thể, chúng ta cần phải xác định đầy đủ được 4 ẩn số (3 ẩn số vị trí, 1 ẩn số
điều chỉnh sai số), nghĩa là cần 4 phương trình để định vị.
Điều này đồng nghĩa với việc cần thiết phải sử dụng vệ tinh thứ 4 trong việc xác
định vị trí. Bằng cách thực hiện các phép đo khoảng cách đến 4 vệ tinh, ta có thể
xác định vị trí chính xác và duy nhất của vật thể.

Hình 3. Vị trí của vệ tinh

Vị trí của người sử dụng đặc trưng bởi 3 thông số x z ,y z ,z z . Nhằm xác định vị trí
R

R

R

R

R

R

của người sử dụng trên mặt đất, ta cần xác định vector u. Vector s là vector đại diện
cho vị trí của vệ tinh với hệ quy chiếu trái đất. Vector s này có thể xác định được
nhờ quỹ đạo và vị trí của vệ tinh là biết trước. Vì vậy, để xác định được vector u thì

ta cần phải xác định vector r.
Theo hình vẽ, vector r được xác định như sau : r = s – u
Mô đun của vector r là :||r|| = |s-u|

18


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

Xác định được mô đun r, ta có thể xác định được vector r từ đó tính tốn ra vị
trí người sử dụng. Việc xác định mô đun của vector r lại tương đương với việc xác
định thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến bộ thu nằm tại vị trí người sử dụng, bởi
vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ vận tốc ánh sáng đã biết.
Vì vậy, bài tốn xác định vị trí người sử dụng đồng nghĩa với việc xác định thời
gian truyền phát tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu do vận tốc lan truyền tín hiệu trong
các mơi trường coi như không đổi. Để thực hiện điều này người ta thực hiện bằng
cách đặt trên mỗi vệ tinh một đồng hồ. Đồng hồ này thiết lập dữ liệu thời gian và
truyền về mặt đất qua tín hiệu vệ tinh. Các máy thu trên mặt đất thu tín hiệu và so
sánh với đồng hồ đặt trong máy thu từ đó tính tốn đưa ra khoảng cách giữa vệ tinh
và các máy thu.
1.4.2

Xác định khoảng cách sử dụng mã PRN

Tín hiệu từ các vệ tinh GPS sử dụng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS –
Direct Sequence Spreed Spectrum). DSSS cung cấp các cấu trúc cho việc truyền tải
các tín hiệu nhằm thực phép đo khoảng cách và truyền đạt thơng số vệ tinh. Các tín
hiệu đó được gọi là PRN code (Pseudorandom Noise).
Mã PRN là mã đặc trưng cho từng vệ tinh, được điều chế vào các sóng mang L1
và L2 bằng kỹ thuật đa truy cập phân theo mã (CDMA – Code Division Multiple

Access). Mã PRN gồm 2 loại mã đó là mã đó là mã chính xác Protected (P) và mã
thơ Coarse/Acquisition (C/A). Trong đó, mã C/A được điều chế vào L1 còn mã P
được điều chế vào L2.
Để thực hiện được điều này, người ta thiết kế sao cho cả vệ tinh và bộ thu đều
phát ra các mã PRN được đồng bộ hóa.. Mã PRN (gồm mã C/A và mã P(Y) ) này là
đặc trưng của từng vệ tinh nhằm giúp bộ thu phân biệt đang nhận tín hiệu từ các vệ
tinh nào. Sau đó, khi tín hiệu của vệ tinh đến được với bộ thu, trên máy thu sẽ thu
được hai phiên bản mã giống nhau, một phiên bản mã do chính bộ thu sinh ra, phiên
bản còn lại do vệ tinh truyền đến sẽ trễ hơn một khoảng thời gian do phải trải qua
một quãng đường lớn từ máy thu đến vệ tinh. Từ thời gian trễ đó ta có thể xác định
được quãng đường tín hiệu đã được truyền tức là khoảng cách giữa vệ tinh và máy
19


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

thu. Nếu đồng hồ vệ tinh và máy thu là đồng bộ thì khoảng cách này là chính xác
nhưng điều đó là khơng khả thi vì ln tồn tại sai số nên khoảng cách nhận được là
giả khoảng cách. Ts
Để hiểu rõ hơn điều này, ta có thể tham khảo hình vẽ 4 :
(Thời gian tương đương khoảng cách hình học)

∆t

tu

δt

Ts + δ t

Ts

Ts + tu

Tu

(Thời gian tương đương giả khoảng cách)

Hình 4. Quan hệ giữa đô đo khoảng cách và thời gian lan truyền

Giả sử vệ tín hiệu được vệ tinh phát đi tại thời điểm T s và truyền đến bộ thu
R

R

vào thời điểm T u . Thời gian truyền tín hiệu lý thuyết là t. Tuy nhiên, do sai số t
R

R

của đồng hồ vệ tinh và sai số t u của đồng hồ bộ thu, vì vậy bộ thu nhận được thơng
R

R

tin rằng tín hiệu đã truyền đi vào thời điểm Ts + t và nhận được tín hiệu vào thời
R

R

điểm T u + t u . Vì vậy thời gian truyền tín hiệu nhận được đã sai lệch đi so với thời
R

R

R

R

gian lý thuyết.
Từ hình vẽ, ta có thể nhận thấy khoảng cách hình học (hay chính là mơ đun của
vector r) là :R = c.(T u - T s ) = c.
R

R

R

(1.1)

t

R

R

Giả khoảng cách :
= c.[ (T u + t u ) – (T s +
R

R

R

R

R

R

t

R

R

)] = c.(T u - T s ) + c.(t u R

(1.2)
Từ (1.1) và (1.2), ta được :

20

R

R

R

R

R

t

R

R

) = r + c.(t u R

R

t

R

R

)


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

-

c.(t u
R

-

R

t

R

)

R

=

||s

–

u||

(1.3)
Do sai số t của đồng hồ vệ tinh là không đáng kể nếu so với sai số của đồng hồ
bộ thu cũng như các sai số trong quá trình truyền nhận, vì vậy trong mơ hình tốn
học đơn giản của định vị bằng GPS người ta lược bỏ sai số đồng hồ vệ tinh và quy
tất cả các sai số đáng kể vào sai số đồng hồ bộ thu. Mơ hình tốn học đó có thể
được biểu diễn như sau :

(1.4)

- c.t u = ||s – u||
R

R

Mơ hình này sẽ được áp dụng nhằm xác định ra vị trí của người sử dụng.
1.4.3 Xử lý dữ liệu – tính tốn vị trí
1.4.3.1 Mơ hình tốn

Theo 1.2.2, ta có mối tương quan giữa giả khoảng cách và khoảng cách thực tế
như sau :

(1.5)

= r + c.t u = ||s – u||
R

R

↔

i

R

= ||s i – u|| + c.t u (i=1..4)

R

R

R

R

R

Từ đó, ta có thể thiết lập được hệ phương trình xác định vị trí người sử dụng
như sau : x u, x 1 , x 2 , x 3 , x 4
R

R

R

R

R

R

R

R

R

(1.6)

p1 =
R

R

p2 =
R

R

p3 =
R

R

p4 =
R

R

Trong đó:
• p i là giá trị giả khoảng cách đo đạc được thực hiện ở máy thu (thường
R

R

tính bằng đơn vị mét).

21


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

• x i ,y i ,z i : tọa độ vị trí của vệ tinh thứ i. Các tọa độ này được trích
R

R

R

R

R

R

xuất từ thơng tin do vệ tinh gửi đi.
• x u ,y u ,z u : là các tọa độ của máy thu.
R

R

R

R

R

R

• c.t u : là giá trị hiệu chỉnh giả khoảng cách từ số liệu hiệu chỉnh đồng
R

R

hồ máy thu.
Dễ thấy hệ phương trình có dạng phi tuyến, vì vậy nhằm tính tốn ra vị trí chính
xác của người sử dụng, ta phải thực hiện tuyến tính hóa hệ phương trình và tìm
phương pháp giải hệ phương trình đã tuyến tính đó một cách tối ưu nhất.
1.4.3.2 Tuyến tính hóa

Gọi f(x u ,y u ,z u ,t u ) là hàm đặc trưng cho phương trình giả khoảng cách từ vệ tinh
R

R

R

R

R

R

R

R

đến máy thu:
pi
R

=

R

=

f(x u ,y u ,z u ,t u )
R

R

R

R

R

R

R

R

(1.7)
Giả sử ta ước lượng được tọa độ gần đúng của người sử dụng và thời gian
truyền tín hiệu gần đúng, ta có thể thiết lập được hàm f đặc trưng cho các thông số
gần đúng thế như sau:
i

R

=

R

=

f(

u, u, u, u )

R

R

R

R

R

R

R

R

(1.8)
Vậy, thơng số vị trí người sử dụng cũng như thơng số hiệu chỉnh thời gian có
thể được xác định thông qua các giá trị ước lượng và thành phần hiệu chỉnh như
sau:

Từ đó ta có thể viết hàm f dưới dạng :

22


Nghiên cứu các phương pháp định vị chính xác và một số giải pháp thử nghiệm

(1.9)
Từ đó, hàm f có thể khai triển theo các giá trị gần đúng sử dụng chuỗi Taylor
như sau:

(1.10)
Việc khai triển dưới dạng chuỗi Taylor đã loại bỏ các thành phần phi tuyến
trong phương trình ban đầu. Các đạo hàm con của khai triển Taylor trên được xác
định như sau :

Kết hợp với (1.8) và (1.9) thay vào (1.10), ta có

(1.11)
Có thể thấy, phương trình phi tuyến đã được biến đổi thành dạng tuyến tính với
các ẩn số mới là

và t u
R

Đặt các biến mới như sau :

23