Luận văn: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác GNSS

Luận văn phân tích chi tiết ảnh hưởng của tầng điện ly đến định vị chính xác GNSS, các nguyên nhân, tác động và phương pháp khắc phục hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Minh
• Người hướng dẫn: Tiến Sĩ Hoàng Văn Hiệp
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Ảnh Hưởng Của Tầng Điện Ly Đến Định Vị GNSS Chính Xác
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về tầng điện ly và GNSS

Tầng điện ly là một phần quan trọng của bầu khí quyển Trái Đất, nằm ở độ cao từ 50 đến 1000 km, chứa các ion và electron tự do. Lớp này có ảnh hưởng đáng kể đến các sóng vô tuyến, đặc biệt là tín hiệu từ các hệ thống định vị vệ tinh GNSS (Global Navigation Satellite System). GNSS bao gồm GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou, được sử dụng rộng rãi trong định vị chính xác hiện đại. Khi sóng vô tuyến từ vệ tinh đi qua tầng điện ly, chúng bị chậm lại và lệch hướng, gây ra sai số trong quá trình định vị. Sự hiểu biết về tác động của tầng điện ly là rất cần thiết để cải thiện độ chính xác của các hệ thống định vị hiện đại, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như xây dựng, khảo sát địa chính và giao thông.

1.1. Khái niệm tầng điện ly

Tầng điện ly được hình thành do tia tử ngoại mặt trời tác động lên các phân tử khí trong bầu khí quyển, tạo ra các ion và electron. Nồng độ điện tử trong tầng điện ly thay đổi theo thời gian, độ cao và vị trí địa lý. Chỉ số nhấp nháy điện ly (Scintillation Index) được sử dụng để đo lường mức độ biến thiên này. Sự biến đổi của tầng điện ly ảnh hưởng trực tiếp đến sai số đường truyền điện từ (ionospheric delay) của các tín hiệu GNSS.

1.2. Hệ thống định vị GNSS

Hệ thống GNSS hoạt động dựa trên nguyên lý tam trilateration, sử dụng tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để xác định vị trí 3D (kinh độ, vĩ độ, độ cao) và thời gian. Các tín hiệu này truyền qua không gian bao gồm cả tầng điện ly, nơi chúng bị ảnh hưởng bởi các thành phần ion. Độ chính xác của GNSS phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu, số lượng vệ tinh khả dụng và các sai số hệ thống như sai số tầng điện ly.

II. Tác động của nhấp nháy tầng điện ly đến GNSS

Nhấp nháy tầng điện ly (ionospheric scintillation) là hiện tượng biến động cường độ tín hiệu GNSS do sự không đều của nồng độ điện tử trong tầng điện ly. Hiện tượng này gây ra những sai số ngẫu nhiên trong quá trình định vị, làm giảm độ chính xác của hệ thống. Chỉ số Phi60 và chỉ số S4 là những thông số quan trọng để đánh giá mức độ nhấp nháy tầng điện ly. Các nghiên cứu cho thấy nhấp nháy mạnh có thể gây mất tín hiệu tạm thời từ vệ tinh, làm gián đoạn quá trình định vị. Ở Việt Nam, hiện tượng này thường xảy ra vào các thời kỳ hoạt động mặt trời cao, đặc biệt là trong các tháng mùa hè và thu. Để đạt được định vị chính xác RTK (Real-Time Kinematic), cần phải có biện pháp khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly thông qua các phương pháp xử lý dữ liệu tiên tiến.

2.1. Nguyên nhân nhấp nháy điện ly

Nhấp nháy tầng điện ly được gây ra bởi sự biến động của nồng độ điện tử do hoạt động của sóng khí động học, hoạt động từ tính mặt trời và các phản ứng hóa học trong tầng này. Cực quang và bão từ là những hiện tượng địa vật lý có ảnh hưởng lớn đến mức độ nhấp nháy. Khi sóng GNSS đi qua những vùng có nồng độ điện tử không đều, chúng bị phân tán và gây suy giảm biên độ.

2.2. Đặc trưng nhấp nháy điện ly tại Việt Nam

Ở khu vực xích đạo và cận xích đạo, bao gồm Việt Nam, hiện tượng nhấp nháy tầng điện ly xảy ra thường xuyên hơn so với các vùng khác. Chỉ số nhấp nháy điện ly tại Việt Nam thường cao nhất vào buổi tối sau mặt trời lặn. Sự biến thiên theo thời gian này có ảnh hưởng đáng kể đến các dịch vụ định vị yêu cầu độ chính xác cao.

III. Phương pháp đo lường và đánh giá ảnh hưởng

Để đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly đến GNSS chính xác, các nhà khoa học sử dụng những chỉ số định lượng như chỉ số S4 và chỉ số Phi60. Chỉ số S4 đo lường sự biến đổi của cường độ tín hiệu bình thường hóa, trong khi chỉ số Phi60 đo lường độ lệch pha tức thời của sóng mang. Công cụ RTKLIB là một phần mềm mã nguồn mở được sử dụng để xử lý dữ liệu GNSS và khắc phục sai số tầng điện ly thông qua các thuật toán xử lý dữ liệu tiên tiến. Phương pháp định vị GNSS sai phân (Differential GNSS) và phương pháp RTK (Real-Time Kinematic) cung cấp các cơ chế để giảm thiểu ảnh hưởng của tầng điện ly. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng việc xác định chính xác các chỉ số nhấp nháy có thể giúp cải thiện độ chính xác định vị lên đến vài cm.

3.1. Chỉ số đánh giá nhấp nháy điện ly

Chỉ số S4 là thước đo tiêu chuẩn được sử dụng trong nghiên cứu nhấp nháy tầng điện ly, tính toán từ phương sai của cường độ tín hiệu. Chỉ số Phi60 đo lường lệch pha trong khoảng thời gian 60 giây. Cả hai chỉ số này đều có mối liên hệ mật thiết với mức độ suy giảm chất lượng tín hiệu GNSS. Việc giám sát liên tục các chỉ số này giúp dự báo khoảng thời gian có ảnh hưởng lớn đến định vị.

3.2. Công cụ xử lý dữ liệu RTKLIB

RTKLIB là thư viện phần mềm mã nguồn mở cung cấp các hàm xử lý GNSS toàn diện. Phần mềm này có khả năng xử lý tín hiệu từ nhiều vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo) và áp dụng các mô hình hiệu chỉnh sai số, bao gồm hiệu chỉnh tầng điện ly. RTKLIB hỗ trợ định vị RTK và định vị hậu xử lý, cho phép giảm thiểu ảnh hưởng của tầng điện ly thông qua thuật toán Kalman Filter.

IV. Ứng dụng định vị RTK chính xác trong điều kiện có nhấp nháy

Định vị RTK (Real-Time Kinematic) là phương pháp cung cấp vị trí chính xác cm trong thời gian thực, nhưng ảnh hưởng của tầng điện ly có thể giảm hiệu suất của nó. Khi không có nhấp nháy tầng điện ly, độ chính xác RTK có thể đạt được 2-5 cm cho vị trí ngang. Tuy nhiên, khi có nhấp nháy mạnh, độ chính xác có thể giảm xuống 10-20 cm hoặc thậm chí mất khóa tín hiệu (loss of lock). Các nghiên cứu thực tế tại Việt Nam cho thấy rằng sử dụng mô hình hiệu chỉnh tầng điện ly dựa trên dữ liệu TEC (Total Electron Content) có thể cải thiện độ chính xác khoảng 30-40%. Tuyến liên kết thông tin (communication link) giữa trạm cơ sở và thiết bị di động cần có độ tin cậy cao để truyền các thông số hiệu chỉnh một cách kịp thời. Sự kết hợp giữa định vị RTK với phương pháp xử lý sau (post-processing) có thể khắc phục hiệu quả ảnh hưởng của tầng điện ly.

4.1. Trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly

Khi tầng điện ly ổn định và không xuất hiện hiện tượng nhấp nháy, hệ thống RTK hoạt động ở hiệu suất tối ưu. Tín hiệu GNSS từ các vệ tinh không bị suy giảm đáng kể, cho phép thiết bị nhận có thể khóa tín hiệu từ nhiều vệ tinh trong thời gian dài. Độ chính xác định vị trong trường hợp này có thể đạt 2-5 cm ngang và 5-10 cm đứng, phù hợp với hầu hết các ứng dụng kỹ thuật cao.

4.2. Trường hợp có nhấp nháy tầng điện ly

Khi hiện tượng nhấp nháy tầng điện ly diễn ra, tín hiệu GNSS bị suy giảm cường độ và lệch pha, gây khó khăn trong việc khóa tín hiệu. Tỷ lệ mất khóa (loss of lock) có thể tăng lên 20-50% trong những khoảng thời gian nhấp nháy mạnh. Các phương pháp khắc phục bao gồm sử dụng nhiều tần số, áp dụng bộ lọc tiên tiến và hiệu chỉnh sai số tầng điện ly dựa trên dữ liệu từ trạm chuẩn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

_ BỘ GIÁO DỤC VA BAO TAO TRUONG DAT HOC BACH KHOA HA NOT NGUYEN MINH NGIIIÊN CỨƯU SỰ ÁNII TƯỞNG CỦA TẰNG ĐIỆN LY DEN DINH VI CHINH XAC GNSS Chuyên ngành: Công nghệ thông tin LUẬN VĂN THẠC BĨ KỸ THUẬT CONG NGHE THONG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 18, HOÀNG VĂN HIỆP TIả Nội - 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập — Tự đø— Hạnh phúc BẢN XÁC NHẠN CHỈNH SỬA LUẬN V THẠC SĨ ‘Hy va tén tac giá luận văn: Nguyễn Minh Đề tải luận văn: Nghiên cửu sự ảnh hưởng của tầng diện ly dén dịnh vị chính xác GNSS Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số §V: CH150304 'Táo giả, Người hướng dẫn khoa học vả Liội đồng châm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bồ sung luận văn theo biên bản hợp Hội đồng ngày 19/10/2018 với các nội dụng, sau + Bồ sung danh mục từ viết tắt, « _ Thống nhất trình bảy các thuật ngữ, tên Tiếng Anh, tài liệu tham khảo. « Căn chính lại trang bia luận văn. Ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn 'Tác giả luận văn CHÚ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thấy, cô Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các cán bộ Trung tâm. NAVI đã trang bị những kiến thức bẻ ích, cần thiết, tạo điều kiện thuận lợi cho quả trình học tập và nghiên cứu của tôi.

Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Văn Hiệp, thầy đã tận tỉnh định hướng, hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn nay. Tôi xin cam đoan nội đụng luận vấn nảy là đo tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết Ta dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn; các tài liệu tham kháo, trịch dẫn có. ghi rõ nguồn gốc.

Ngdy tháng — nằm 2018 Tác giả luận văn Nguyễn Minh 3. Tổng quan về tầng điện ly. Nhap nhdy tang điện ly 34 3. Tác động của hiện tượng nhấp nháy tằng điện ly.

Nguyên nhân nhấp nhảy tầng điện ly. Đặc điểm nhấp nhảy điện ly toàn cầu. Đặc trưng xuất hiện theo thời gian của nhấp nhảy điện 1y Việt Nam - 36 3. Chỉ số nhấp nhảy điện ly 84.

Chỉ số nhập nhảy điện ly ơạ. Thử nghiệm và so sánh kết quả. ẢNH HƯỚNG CỦA TẢNG ĐIỆN LÝ ĐÈN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC s2 4. Các chế đô định vị.

Dịnh vị điểm.2, Định vị tương đối. GNSS sai phân. Hệ thắn; cường, đựa trên vệ tỉnh: 33 4. Định vị điểm chính xác.

Phuong phép RTK.3, Tuyén liên kết théng tin.4, Xử lý dữ liệu sau. Công cụ RTKLIB. Ảnh hưởng của tầng di: ận ly dến định vị chính xác RTK. Trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly.

Trường hợp có nhấp nháy lằng điện ly. KÉT LUẬN TAI LIBU THAM KHAO. - - - - 70 iii Định vị điểm chỉnh xác PRN Pseudo-Ramdom Noise/Number Mã giá ngẫu nhiên-Mã trải phổ cho mỗi vệ tính PVT Position-Velocity-Time Vị trí j QZ55 Quasi-Zenith Setellite System Hệ thống về tính của Nhật RE Radio Frequency Tân số võ Luyễn RIK Reai ‘Time Kinematic Đo động thời gian thực SA Selective Availability Thiễu chọn lọc 8A. SBAS Satellite Based Augmentation Systems Tig thong ting cudng đựa trên về tỉnh.

SDR Soflware Defined Radio Công nghệ về tuyển xác định bằng phin mém TCXO Temperature-compensated Crystal Oscillator 136 dao d8ng tinh thé bu nhiét 46 (“XO” la ty -vidt tht cũ. cho “Crystal Oscillator”) TRC Total Electron Content Hàm lượng điện tử tổng công, TOW Thne of Woek Thời gian trong tuần (theo giây) v 3. Tổng quan về tầng điện ly. Nhap nhdy tang điện ly 34 3.

Tác động của hiện tượng nhấp nháy tằng điện ly. Nguyên nhân nhấp nhảy tầng điện ly. Đặc điểm nhấp nhảy điện ly toàn cầu. Đặc trưng xuất hiện theo thời gian của nhấp nhảy điện 1y Việt Nam - 36 3.

Chỉ số nhấp nhảy điện ly 84. Chỉ số nhập nhảy điện ly ơạ. Thử nghiệm và so sánh kết quả. ẢNH HƯỚNG CỦA TẢNG ĐIỆN LÝ ĐÈN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC s2 4.

Các chế đô định vị. Dịnh vị điểm.2, Định vị tương đối. GNSS sai phân. Hệ thắn; cường, đựa trên vệ tỉnh: 33 4.

Định vị điểm chính xác. Phuong phép RTK.3, Tuyén liên kết théng tin.4, Xử lý dữ liệu sau. Công cụ RTKLIB. Ảnh hưởng của tầng di: ận ly dến định vị chính xác RTK.

Trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly. Trường hợp có nhấp nháy lằng điện ly. KÉT LUẬN TAI LIBU THAM KHAO. - - - - 70 iii Định vị điểm chỉnh xác PRN Pseudo-Ramdom Noise/Number Mã giá ngẫu nhiên-Mã trải phổ cho mỗi vệ tính PVT Position-Velocity-Time Vị trí j QZ55 Quasi-Zenith Setellite System Hệ thống về tính của Nhật RE Radio Frequency Tân số võ Luyễn RIK Reai ‘Time Kinematic Đo động thời gian thực SA Selective Availability Thiễu chọn lọc 8A.

SBAS Satellite Based Augmentation Systems Tig thong ting cudng đựa trên về tỉnh. SDR Soflware Defined Radio Công nghệ về tuyển xác định bằng phin mém TCXO Temperature-compensated Crystal Oscillator 136 dao d8ng tinh thé bu nhiét 46 (“XO” la ty -vidt tht cũ. cho “Crystal Oscillator”) TRC Total Electron Content Hàm lượng điện tử tổng công, TOW Thne of Woek Thời gian trong tuần (theo giây) v Tình 3. 6 4 của vỆ tmủi7 tỉnh bi Septentrio va SDR.18 ô Phi6O của vệ tinh7 tỉnh bởi IRC va SDR 49 Hình 3.

Chỉ số Phi60 của vệ tỉnh 7 tinh béi Septentrio va SDR Ag Hình 3. Chỉ số 54 của vệ tỉnh 8 tinh bai IRC va SDR 50 Linh 3. Chi sé $4 của vệ tínhE tính bởi Septentrio và BDIR. Chỉ số Phi6O của vệ tính 8 tinh béi JRC va SDR „u51 Hình 3.23, Chỉ số PhiGO ca vệ tính # tinh béi Septentrio va SDR „u51 Hình 4.

Nguyễn tắc định vị điểm 32 Hình 4. Nguyên tắc định vị lương đối 33 Hình 4. Hệ thống tăng dường dựa lrên vệ tĩnh 34 Hình 4. Hệ thống định vị điểm chính xác 55 Hinh 1.

Hé théng RTK.6, Sur dung nhting b6 lap ting độ bao phú tin hiệu võtuyển - Sĩ Linh 4. Cac vé tink nhin thay (trường hợp không cỏ nhập nháy tổng điện ly). Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp không có nhấp nháy tảng điệnÌ 60 Hình 4. Khoảng cách 3 chiêu đến auten 1 (rường hợp không có nhấp nhdy tng điện ly) - - - - 61 Hình 4.

Van tée 3 chién (irudng hop không có nhấp nhảy tầng điện ly), 61 Hình 4. Các vệ tỉnh nhin thây (rường hợp có nhấp nhảy tâng điện ly) 63 Hinh 4. Số vệ tỉnh nhín thây đrường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngdng vé tinh> 10°). Khoảng cách 3 chiều đến anlen 1 (rường hợp có nhấp nháy tổng điện ly, chạn góc ngắng vệ tỉnh > 10.

Vận tốc 3 chiều tường hợp có nhập nhảy tầng điệnn ly, chọn góc ngẵng, vệ únh > 10%. Khe ông cách 3 chiều dến arfen T (trường hợp có nhập nháy lồng điện ly, chọn góc ngắng vệ tỉnh > L5°) .16, Van tốc 3 chiều (rường hợp có nhấp nháy tằng điện ly, chọn góc ngắng vệ tỉnh> 15%) 65 Linh 4. 88-vé tinh nbin thay (trường hợp có hip nháy tầng điện ly, chọn góc ngẳng vệ tính > 15). Khoảng cánh 3 chiều dến antcn 1 trường hợp số nhấp a chon géc ngang vé tinh > 20").

Vận tốc 3 chiều (trường hợp có nhấp nháy tẳng điện ly, chọn góc ngắng vệ tinh > 20°) 67 Hình 4. Số vệ tỉnh nhìnthấy (rường! hợp có nhấp nhay tang điện ly, chọn góc ngẳng vệ tinh > 20. 6 4 của vỆ tmủi7 tỉnh bi Septentrio va SDR.18 ô Phi6O của vệ tinh7 tỉnh bởi IRC va SDR 49 Hình 3. Chỉ số Phi60 của vệ tỉnh 7 tinh béi Septentrio va SDR Ag Hình 3.

Chỉ số 54 của vệ tỉnh 8 tinh bai IRC va SDR 50 Linh 3. Chi sé $4 của vệ tínhE tính bởi Septentrio và BDIR. Chỉ số Phi6O của vệ tính 8 tinh béi JRC va SDR „u51 Hình 3.23, Chỉ số PhiGO ca vệ tính # tinh béi Septentrio va SDR „u51 Hình 4. Nguyễn tắc định vị điểm 32 Hình 4.

Nguyên tắc định vị lương đối 33 Hình 4. Hệ thống tăng dường dựa lrên vệ tĩnh 34 Hình 4. Hệ thống định vị điểm chính xác 55 Hinh 1. Hé théng RTK.6, Sur dung nhting b6 lap ting độ bao phú tin hiệu võtuyển - Sĩ Linh 4.

Cac vé tink nhin thay (trường hợp không cỏ nhập nháy tổng điện ly). Số vệ tinh nhìn thấy (trường hợp không có nhấp nháy tảng điệnÌ 60 Hình 4. Khoảng cách 3 chiêu đến auten 1 (rường hợp không có nhấp nhdy tng điện ly) - - - - 61 Hình 4. Van tée 3 chién (irudng hop không có nhấp nhảy tầng điện ly), 61 Hình 4.

Các vệ tỉnh nhin thây (rường hợp có nhấp nhảy tâng điện ly) 63 Hinh 4. Số vệ tỉnh nhín thây đrường hợp có nhấp nháy tầng điện ly, chọn góc ngdng vé tinh> 10°). Khoảng cách 3 chiều đến anlen 1 (rường hợp có nhấp nháy tổng điện ly, chạn góc ngắng vệ tỉnh > 10. Vận tốc 3 chiều tường hợp có nhập nhảy tầng điệnn ly, chọn góc ngẵng, vệ únh > 10%.

Khe ông cách 3 chiều dến arfen T (trường hợp có nhập nháy lồng điện ly, chọn góc ngắng vệ tỉnh > L5°) .16, Van tốc 3 chiều (rường hợp có nhấp nháy tằng điện ly, chọn góc ngắng vệ tỉnh> 15%) 65 Linh 4. 88-vé tinh nbin thay (trường hợp có hip nháy tầng điện ly, chọn góc ngẳng vệ tính > 15). Khoảng cánh 3 chiều dến antcn 1 trường hợp số nhấp a chon géc ngang vé tinh > 20"). Vận tốc 3 chiều (trường hợp có nhấp nháy tẳng điện ly, chọn góc ngắng vệ tinh > 20°) 67 Hình 4.

Số vệ tỉnh nhìnthấy (rường! hợp có nhấp nhay tang điện ly, chọn góc ngẳng vệ tinh > 20. Tổng quan về tầng điện ly. Nhap nhdy tang điện ly 34 3. Tác động của hiện tượng nhấp nháy tằng điện ly.

Nguyên nhân nhấp nhảy tầng điện ly. Đặc điểm nhấp nhảy điện ly toàn cầu. Đặc trưng xuất hiện theo thời gian của nhấp nhảy điện 1y Việt Nam - 36 3. Chỉ số nhấp nhảy điện ly 84.

Chỉ số nhập nhảy điện ly ơạ. Thử nghiệm và so sánh kết quả. ẢNH HƯỚNG CỦA TẢNG ĐIỆN LÝ ĐÈN ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC s2 4. Các chế đô định vị.

Dịnh vị điểm.2, Định vị tương đối. GNSS sai phân. Hệ thắn; cường, đựa trên vệ tỉnh: 33 4. Định vị điểm chính xác.

Phuong phép RTK.3, Tuyén liên kết théng tin.4, Xử lý dữ liệu sau. Công cụ RTKLIB. Ảnh hưởng của tầng di: ận ly dến định vị chính xác RTK. Trường hợp không có nhấp nháy tầng điện ly.

Trường hợp có nhấp nháy lằng điện ly. KÉT LUẬN TAI LIBU THAM KHAO. - - - - 70 iii DANIIMỤC IIÏNIVẼ Hình 1. Phố tín hiệu của các hệ thống vệ tỉnh định vị linh 1.

Nguôn gây lỗi trong quá trình truyền tin hiệu.