Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Trắc Địa Bản Đồ: Định Vị Tuyệt Đối Kết Hợp GPS, Galileo Và Beidou

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật trắc địa bản đồ nghiên cứu định vị tuyệt đối kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou, ứng dụng hiệu quả trong đo đạc địa lý.

• Tác giả: Trần Văn Nam
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
• Đề tài: Định Vị Tuyệt Đối Kết Hợp GPS, Galileo Và Beidou Trong Trắc Địa Bản Đồ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận văn tập trung vào định vị tuyệt đối kết hợp ba hệ thống vệ tinh GPS, Galileo và Beidou. Định vị toàn cầu hiện nay chủ yếu dựa vào hệ thống GPS, nhưng có những hạn chế như độ chính xác không cao (5m-15m) và sự phụ thuộc vào một hệ thống duy nhất. Việc kết hợp nhiều hệ thống vệ tinh giúp tăng số lượng vệ tinh, cải thiện độ chính xác và giải quyết vấn đề khi một hệ thống gặp sự cố. Hệ thống Galileo và Beidou đang phát triển mạnh, với Beidou bao phủ khu vực Châu Á - Thái Bình Dương và Galileo cung cấp độ chính xác cao nhất. Đề tài này nhằm khai thác sự tương đồng giữa các hệ thống để nâng cao hiệu quả định vị chính xác.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là thực hiện định vị tuyệt đối kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: tìm hiểu cấu tạo, hệ thống tọa độ, thời gian, tín hiệu và trị đo của các hệ thống; đánh giá độ chính xác của bản lịch phát tín; xác định bộ trọng số thích hợp để xử lý kết hợp; và khảo sát khả năng và độ chính xác của định vị kết hợp.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu như thu thập số liệu từ các trạm GNSS, so sánh số liệu với bản lịch chính xác, xử lý số liệu bằng thuật toán và tham vấn ý kiến chuyên gia. Các số liệu được thu thập từ các trạm thường trực trên thế giới và Việt Nam, bao gồm file RINEX bản lịch phát tín và file trị đo.

II. Tổng quan về các hệ thống định vị vệ tinh

Luận văn cung cấp cái nhìn tổng quan về ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou. Hệ thống GPS của Mỹ là hệ thống phổ biến nhất, với cấu tạo gồm các vệ tinh, trạm điều khiển và máy thu. Hệ thống Galileo của Liên minh Châu Âu tập trung vào mục đích dân sự, cung cấp độ chính xác cao nhất. Hệ thống Beidou của Trung Quốc đang phát triển mạnh, với mục tiêu bao phủ toàn cầu vào năm 2020. Các hệ thống này có sự tương đồng về nguyên lý hoạt động nhưng khác biệt về kỹ thuật truyền tín hiệu và thuật toán tính toán.

2.1. Hệ thống GPS

Hệ thống GPS gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo, sử dụng kỹ thuật CDMA để phân chia tín hiệu. Hệ thống này cung cấp dịch vụ định vị với độ chính xác từ 5m đến 15m, phù hợp cho các ứng dụng dẫn đường và định vị thông thường.

2.2. Hệ thống Galileo

Hệ thống Galileo là hệ thống định vị dân sự, với 26 vệ tinh đang hoạt động. Hệ thống này cung cấp độ chính xác cao nhất, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như hàng không và hàng hải.

2.3. Hệ thống Beidou

Hệ thống Beidou của Trung Quốc đã phóng 18 vệ tinh lên quỹ đạo, bao phủ khu vực Châu Á - Thái Bình Dương. Hệ thống này dự kiến sẽ bao phủ toàn cầu vào năm 2020, cung cấp dịch vụ định vị với độ chính xác cao.

III. Các nguồn sai số trong định vị tuyệt đối

Luận văn phân tích các nguồn sai số trong định vị tuyệt đối, bao gồm sai số liên quan đến vệ tinh, khí quyển và máy thu. Sai số vệ tinh bao gồm sai số bản lịch và sai số đồng hồ vệ tinh. Sai số khí quyển bao gồm sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu. Sai số máy thu bao gồm sai số đồng hồ máy thu và hiện tượng đa đường dẫn. Việc hiểu rõ các nguồn sai số giúp cải thiện độ chính xác của định vị kết hợp.

3.1. Sai số liên quan đến vệ tinh

Sai số bản lịch và sai số đồng hồ vệ tinh là hai nguồn sai số chính liên quan đến vệ tinh. Luận văn đánh giá độ chính xác của bản lịch phát tín và đồng hồ vệ tinh của ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou.

3.2. Sai số liên quan đến khí quyển

Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu ảnh hưởng đến độ chính xác của định vị tuyệt đối. Luận văn sử dụng các phương pháp xử lý để giảm thiểu sai số này.

3.3. Sai số liên quan đến máy thu

Sai số đồng hồ máy thu và hiện tượng đa đường dẫn là hai nguồn sai số chính liên quan đến máy thu. Luận văn đề xuất các phương pháp để giảm thiểu các sai số này.

IV. Thuật toán xử lý và kết quả khảo sát

Luận văn trình bày các thuật toán xử lý số liệu và kết quả khảo sát định vị kết hợp. Thuật toán định vị tuyệt đối được sử dụng để xác định tọa độ máy thu, với việc xác định trọng số cho các trị đo của từng hệ thống. Kết quả khảo sát cho thấy việc kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của định vị tuyệt đối.

4.1. Thuật toán định vị tuyệt đối

Thuật toán định vị tuyệt đối được sử dụng để xác định tọa độ máy thu dựa trên các trị đo từ vệ tinh. Luận văn trình bày các bước thực hiện thuật toán và cách xác định trọng số cho các trị đo.

4.2. Kết quả khảo sát

Kết quả khảo sát cho thấy việc kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou giúp tăng số lượng vệ tinh và cải thiện độ chính xác của định vị tuyệt đối. Kết quả này được so sánh với các phương án định vị sử dụng một hệ thống duy nhất.

V. Kết luận và kiến nghị

Luận văn kết luận rằng việc kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của định vị tuyệt đối. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như hàng không, hàng hải và trắc địa. Luận văn cũng đề xuất hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu kết hợp thêm các hệ thống vệ tinh khác như GLONASS và QZSS.

5.1. Kết luận

Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng việc kết hợp ba hệ thống GPS, Galileo và Beidou giúp tăng số lượng vệ tinh và cải thiện độ chính xác của định vị tuyệt đối. Điều này giải quyết được sự phụ thuộc vào một hệ thống duy nhất và nâng cao hiệu quả của công nghệ định vị.

5.2. Kiến nghị

Luận văn đề xuất hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu kết hợp thêm các hệ thống vệ tinh khác như GLONASS và QZSS để tiếp tục nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của định vị toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN  Phương pháp thu thập số liệu Để phục vụ nghiên cứu của đề tài cần thu thập số liệu thu được từ vệ tinh GNSS được thu bằng các loại máy thu có khả năng thu được trị đo tổng hợp, số liệu thu được của đề tài gồm một số trạm trên thế giới cả Việt Nam bằng cách truy cập website của tổ chức IGS cung cấp, là các số liệu thu từ các trạm thường trực. Tại Việt Nam số liệu được cung cấp từ trạm CORS của công ty Tường Anh. Số liệu thu được gồm các file RINEX bản lịch phát tín, file trị đo.

 Phương pháp so sánh Số liệu toạ độ vệ tinh được so sánh với bản lịch chính xác định dạng *.sp3 để có cơ sở đánh giá độ chính xác bản lịch, các kết quả định vị điểm xác định toạ độ máy thu được so sánh với toạ độ chính xác  Phương pháp xử lý số liệu đánh giá kết quả Từ số liệu thu được và các cơ sở đánh giá sử dụng thuật toán tiến hành viết chương trình bằng ngôn ngữ Matlab để đánh giá độ chính xác của kết xử lý.  Phương pháp tham vấn ý kiến chuyên gia Trong quá trình thực hiện nghiên cứu cần tham vấn các ý kiến của chuyên gia là những người đã thực hiện các đề tài liên quan đặc biệt là giáo viên hướng dẫn khoa học để có định hướng khách quan và đúng đắn. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung làm phong phú thêm kiến thức tổng quan về định vị vệ tinh nói chung, hệ thống GALILEO và BEIDOU nói riêng, làm phong phú thêm kiến thức phục vụ công việc của bản thân và nghiên cứu khoa học - Kết quả nghiên cứu sẽ chứng minh được trong định vị vệ tinh khi số lượng vệ tinh tăng lên thì độ chính xác sẽ được nâng lên đồng thời có thể kết hợp nhiều hệ thống vệ tinh vào bài toán định vị vệ tinh giải quyết được sự lệ thuộc vào một hệ thống định vị vệ tinh. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng ở những khu vực có độ che phủ cao mà mà định vị chỉ sử dụng duy nhất hệ thống GPS không cho kết quả định vị tốt.

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Định vị tuyệt đối bằng các trị đo giả cự ly là bài toán khá phổ biến trong các ứng dụng dẫn đường bằng GPS, để giải bài toán này chúng ta sử dụng lời giải của bài toán giao hội ngược đo cạnh trong không gian. Bản chất là bài toán ngược xác định toạ độ điểm trong định vị vệ tinh. Hệ thống định vị chúng ta đang sử dụng phổ biến hiện nay là GPS một số ứng dụng của định vị tuyệt đối bằng hệ thống GPS.

Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không vũ trụ thì các hệ thống khác cũng lần lượt ra đời. Vì vậy đã có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến định vị điểm kết hợp nhiều hệ thống. Sau đây là một số đề tài trên thế giới và trong nước đã được nghiên cứu và công bố: 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Bài toán định vị kết hợp nhiều hệ thống vệ tinh (Positioning Using Combined Multi GNSS) ở trên thế giới hiện nay không phải là mới.

Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về sự kết hợp tín hiệu các hệ thống vệ tinh ứng dụng cho các lĩnh vực khác nhau. Sau đây học viên trình bày một số đề tài nghiên cứu trên thế giới liên quan đến bài toán định vị điểm kết hợp: 1. Rock Santerre, Lin Pan, Changsheng Cai, Jianjun Zhu Single Point Positioning Using GPS, GLONASS and BeiDou Satellites Positioning, 2014, 5, 107- 114 http://dx.54013 Nội dung của bài báo trình bày việc thực hiện bài toán định vị tuyệt đối tại một khu vực trong điều kiện tương đối bị che khuất tại Trung Quốc ngày 22 tháng 12 năm 2013. Tín hiệu thu đồng thời của 3 hệ thống và tiến hành định vị kết hợp GPS/GLONASS/BEIDOU và được so sánh với kết quả đo RTK đồng thời.

Kết quả cho thấy khi số lượng tín hiệu vệ tinh thu được tăng lên, độ chính xác khi kết hợp được cải thiện về các thành phần hướng Đông, Bắc và Độ Cao được thể hiện ở Hình 1.1 [19] Từ kết quả trên ta thấy kết quả định vị kết hợp GPS và GLONASS tốt hơn định vị duy nhất GPS, độ chính xác định vị điểm kết hợp GPS, GLONASS và BEIDOU -5- CHƯƠNG 1. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN tốt hơn kết hợp 2 hệ thống GPS+GLONASS.1 [19] thể hiện kết quả so sánh giữa ba hình thức định vị là sử dụng duy nhất GPS, kết hợp GPS/GLONASS và kết hợp GPS, GLONASS và BEIDOU Hình 1.1: Đồ thị so sánh độ chính xác định vị Bài báo còn trình bày đến trường hợp góc cao vệ tinh là 100 độ chính xác được cải thiện khoảng 20% - 50% khi định vị kết hợp GPS và GLONASS so với định vị một hệ thống GPS, ở góc cao 300 thì việc định vị duy nhất GPS thì không thể thực hiện được vì số lượng vệ tinh thu được nhỏ hơn 4 vệ tinh, tuy nhiên nếu kết hợp tín hiệu của GPS, GLONASS, BEIDOU thì sẽ khắc phục vấn đề này và cho độ chính xác 5m.1: So sánh kết quả giữa các hình thức định vị 2. Jose Sanguino, Antonio Rodrigues, Pedro Ferrao Positioning using GPS and GLONASS observations IT - Instituto de telecomunicac¸ oes / ist-utl, portugal 2013, Instituto Superior Tecnico, Technical University of Lisbon, Portuga https://fenix.pt/downloadFile/395145496450/extended_abstract.pdf -6- CHƯƠNG 1. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Trọng tâm của bài báo là trình bày hai hình thức định vị là định vị điểm thông thường và định vị chính xác khi kết hợp GPS+GLONASS đưa kết quả so sánh với định vị sử dụng một hệ thống.

Nhằm mục đích giải quyết vấn đề về số lượng vệ tinh tại những khu vực che khuất và mong muốn đạt độ chính xác cao hơn khi định vị kết hợp.2 trình bày kết quả định vị tuyệt đối thông thường. Nội dung của đề tài đã tìm ra được sự sai khác về hệ toạ độ, hệ thống thời gian giữa hai hệ thống. Kết quả cho thấy để chuyển đổi từ hệ PZ90.02 sang WGS84 cần có bộ tham số chuyển đổi, đề tài cũng trình bày các phương pháp hiệu chỉnh các nguồn sai số như đối lưu, điện ly… Bảng 1.2: Kết quả khảo sát độ chính xác định vị điểm (SPP) Từ kết quả đề tài cho thấy thực hiện việc định vị điểm kết hợp hai hệ thống khác nhau về về hệ toạ độ, thời gian sẽ thực hiện được khi tìm ra sự sai khác mặt khác kết quả định vị kết hợp cho độ chính xác cao hơn định vị một hệ thống vệ tinh 3. Byung-Kyu Choi, Chang-Hyun Cho, Jung Ho Cho, Sang Jeong Lee, Multi- GNSS Standard Point Positioning using GPS, GLONASS, BeiDou and QZSS Measurements Recorded at MKPO Reference Station in South Korea Journal of Positioning, Navigation, and Timing, 205-211 (2015) Bài báo trình bày kết quả định vị kết hợp bốn hệ thống GPS,GLONASS, BEIDOU và QZSS từ số liệu thu tại trạm MKPO ở Hàn Quốc.

Trong đề tài nhóm tác giả xem hệ toạ độ CGCS2000 của Trung Quốc và JGS của Nhật Bản tương đương với WGS- 84, còn PZ-90 chuyển về WGS-84 bằng bảy tham số chuyển đổi. Các nguồn sai số mà đề tài xét đến là sai đố đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai số do đối lưu, -7- CHƯƠNG 1. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN do điện ly và sai số do sự sai khác hệ thống (ISB). Kết quả được thể hiện ở bảng 1.3: Bảng sai số khi định vị ở các trường hợp khác nhau Từ kết quả khảo sát định vị kết hợp giữa các cặp hệ thống khác nhau thì kết quả có sự sai khác, đặc biệt khi kết hợp bốn hệ thống phần lớn các thành phần sai số có sự cải thiện về độ chính xác.

Nghiên cứu cũng kết luận rằng khi định vị kết hợp nhiều hệ thống, số lượng vệ tinh định vị tăng lên sẽ cải thiện độ chính xác.2 thể hiện số lượng vệ tinh các hệ thống [12] Hình 1. Số lượng vệ tinh thu được tại trạm MKPO tại thời điểm khảo sát 4. Zhang, Performance evaluation of single- frequency point positioning with GPS, GLONASS, BeiDou and Galileo Journal Survey Review Published online 30 Mar 2016 -8- CHƯƠNG 1. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Nội dung của bài báo trình bày về định vị tuyệt đối thông thường kết hợp bốn hệ thống GPS, GLONASS, BEIDOU và GALILEO.

Nhóm tác giả thu thập số liệu phục vụ cho đề tài từ 47 trạm IGS trên toàn cầu, toạ độ chính xác của các trạm thực hiện phương pháp xử lý online. So sánh kết quả định vị giữa các phương án Quá trình thực hiện có xử lý các nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị như sai số đồng hồ vệ tinh, hiệu chỉnh sự sai khác về hệ thống toạ độ, thời gian, sử dụng mô hình Saastamoinen để xử lý độ trễ đối lưu, mô hình Klobuchar để xử lý độ trễ do ảnh hưởng tầng điện ly. Sai số trung phương tổng hợp các phương án định vị Ngoài ra bài báo có trình bày việc xác định trọng số của từng hệ thống trước khi thực hiện bài toán định vị.4 trình bày kết quả định vị của các thành phần toạ độ với các phương án định vị gồm chỉ sử dụng GPS, kết hợp GPS+GLONASS, kết hợp GPS+GLONASS+BEIDOU, và GPS+GLONASS+BEIDOU+ GALILEO[17]. Kết quả cho thấy các giá trị sai số được giảm đáng kể khi tăng số lượng hệ thống vệ tinh vị.

NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN Đề tài còn thực hiện việc khảo sát ở các góc cao vệ tinh khác nhau 100, 200, 300, 400 được thể hiện ở Hình 1. Tình hình nghiên cứu trong nước Cùng với xu thế hội nhập quốc tế và sự phát triển của đất nước hiện nay đã có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học nghiên cứu về mảng hàng không vũ trụ nói chung và định vị vệ tinh nói riêng. Đặc biệt những ứng dụng của định vị vệ tinh vào lĩnh vực kỹ thuật Trắc Địa – Bản đồ. Sau đây là một số công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài nghiên cứu của học viên như: 1.

NGUYỄN NGỌC LÂU, Thử nghiệm định vị tuyệt đối dùng hệ thống vệ tinh BEIDOU tại Việt Nam tạp chí "Phát triển KH và CN" tập 19, số K4-2018, trang 19- 26. Nội dung của bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về định vị điểm đơn sử dụng hệ thống BEIDOU tại Việt Nam đồng thời cũng thực hiện đồng thời cho hệ thống GPS và GLONASS để so sánh. Với kết quả nghiên cứu được trình bày ở bảng 1.