Luận văn: Thuật toán nâng cao độ chính xác GPS dùng mã sửa sai tại trạm gốc

Luận văn thạc sĩ: Thuật toán nâng cao độ chính xác GPS sử dụng mã sửa sai tại trạm gốc. Nghiên cứu thiết kế và phát triển giải pháp định vị.

• Tác giả: Phan Duy Chinh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện tử Viễn thông
• Đề tài: Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng Mã Sửa Sai Ở Trạm Gốc
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS
• 1.1. GNSS
• 1.2. Giới thiệu về hệ thống GPS
• 1.3. Cấu trúc của hệ thống GPS
• 1.3.1. Phân hệ không gian
• 1.3.2. Phân hệ điều khiển
• 1.3.3. Phân hệ người dùng
• 1.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
• 2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG GPS
• 2.1. Sai số quỹ đạo vệ tinh
• 2.2. Sai số đồng hồ vệ tinh
• 2.3. Sai số tầng điện ly
• 2.4. Sai số tầng đối lưu
• 2.5. Sai số do hiệu ứng đa đường
• 2.6. Sai số gây ra ở máy thu
• 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA HỆ THỐNG GPS
• 3.1. Sử dụng máy thu 2 tần số
• 3.2. Sử dụng mô hình Klobuchar
• 3.3. Sử dụng dữ liệu từ các trạm IGS
• 3.4. Sử dụng dữ liệu từ các hệ thống tăng cường SBAS
• 4. NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS SỬ DỤNG MÃ SỬA SAI Ở TRẠM GỐC
• 4.1. Thiết kế module GPS
• 4.2. Sử dụng mã sửa sai trong tín hiệu SBAS để giảm sai số của GPS
• 4.3. Đánh giá khả năng sửa sai khi sử dụng mã chập trong tín hiệu SBAS
• 4.4. Giải mã các thông tin module GPS thu được
• 4.4.1. Giới thiệu về phần mềm U-Center
• 4.4.2. Thu thập các thông tin của module GPS
• 4.5. Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly bằng mô hình Klobuchar
• 4.6. Tính toán ước lượng trễ tầng điện ly
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về GPS Độ Chính Xác Cơ Bản và Ứng Dụng 55

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, từ dẫn đường, giao thông vận tải đến các ứng dụng chuyên biệt như hàng không và trắc địa. GPS sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh nhân tạo để xác định vị trí trên mặt đất. Tuy nhiên, độ chính xác của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ, ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu, hiệu ứng đa đường và nhiễu máy thu. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ chính xác, các phương pháp nâng cao độ chính xác GPS đã được phát triển, trong đó có việc sử dụng mã sửa sai GPS.

Các hệ thống định vị vệ tinh (GNSS) khác nhau trên thế giới, như GLONASS (Nga), Galileo (EU), và BeiDou (Trung Quốc), cũng đang ngày càng được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, GPS vẫn là hệ thống phổ biến nhất. Dù Bộ Quốc phòng Mỹ đã tắt hiệu ứng SA (Selective Availability) và phóng thêm các vệ tinh thế hệ mới, độ chính xác của GPS vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu khắt khe trong một số ứng dụng. Theo tài liệu, GPS có thể cung cấp độ chính xác 3-5m trong điều kiện không có vật cản, nhưng một số ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cỡ cm hoặc dm. Do đó, việc áp dụng các phương pháp sửa sai số GPS để cải thiện độ chính xác là rất quan trọng. Luận văn của Phan Duy Chinh tập trung vào việc tìm hiểu hiện trạng của các hệ thống định vị bằng vệ tinh GNSS, phân tích các yếu tố gây ra sai số cho GPS, đưa ra các phương pháp sửa sai và sử dụng mô hình thực nghiệm Klobuchar để tính toán ước lượng trễ tầng điện ly.

1.1. Giới Thiệu Về Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS

GPS, hay Global Positioning System, là một hệ thống định vị xác định vị trí dựa vào vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Hệ thống này do Bộ Quốc phòng Mỹ thiết kế, phát triển và vận hành. Ban đầu, GPS chỉ phục vụ cho mục đích quân sự. Tuy nhiên, từ năm 1980, các ứng dụng dân sự cũng được phép sử dụng GPS. Để đảm bảo an ninh, Bộ Quốc phòng Mỹ đã kích hoạt chế độ SA, làm giảm độ chính xác của GPS cho các ứng dụng dân sự. Đến năm 1993, hệ thống GPS hoàn thiện với 24 vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo. Năm 2000, chế độ SA bị tắt, tạo điều kiện cho sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng định vị GPS. Theo thiết kế ban đầu, GPS bao gồm 27 vệ tinh, trong đó 24 vệ tinh dùng để xác định vị trí và 3 vệ tinh dự phòng. Các vệ tinh GPS di chuyển trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, đảm bảo rằng ở bất kỳ đâu trên Trái đất, máy thu GPS cũng có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh. Để cải thiện độ chính xác, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng thêm các vệ tinh GPS lên quỹ đạo. Tính đến tháng 2/2016, hệ thống GPS có tổng cộng 32 vệ tinh. Các tín hiệu GPS được phát quảng bá ở băng tần L1=1575.45MHz và băng tần L2=1227.60MHz. Băng tần L1 và L5 dùng cho mục đích dân sự, băng tần L2 dùng cho mục đích quân sự.

1.2. Cấu Trúc Cơ Bản Của Công Nghệ Định Vị GPS

Hệ thống GPS bao gồm ba thành phần chính: phân hệ không gian, phân hệ điều khiển và phân hệ người dùng. Phân hệ không gian gồm các vệ tinh trên quỹ đạo. Phân hệ điều khiển là các trạm mặt đất giám sát và điều khiển hệ thống. Phân hệ người dùng là các thiết bị thu tín hiệu GPS. Phân hệ không gian bao gồm 32 vệ tinh bay quanh Trái đất trên 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau. Ít nhất 4 vệ tinh bay trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo. Quỹ đạo của các vệ tinh GPS là hình ellipse với độ lệch tâm nhỏ, gần giống hình tròn. Bán trục lớn xấp xỉ 26600 km và nghiêng 55 độ so với đường xích đạo. Các vệ tinh GPS có độ cao 20200 km so với bề mặt Trái đất, thuộc quỹ đạo MEO. Phân hệ điều khiển bao gồm một mạng lưới các thiết bị mặt đất để giám sát hoạt động của các vệ tinh GPS. Mạng lưới này quan sát, phân tích và đánh giá các tín hiệu GPS. Trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado là trung tâm xử lý dữ liệu. Phân hệ người dùng là các thiết bị thu tín hiệu GPS, giải mã và tính toán các tham số để xác định vị trí, vận tốc và thời gian. Các thiết bị này bao gồm antenna, bộ xử lý và bộ đếm thời gian.

II. Các Sai Số GPS Yếu Tố Ảnh Hưởng Độ Chính Xác 58

Để tín hiệu GPS đến được các máy thu trên mặt đất, chúng phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tại đây, tín hiệu GPS sẽ bị ảnh hưởng bởi các ion, nguyên tử và phân tử. Ngoài ra, tín hiệu GPS có thể bị phản xạ khi gặp các vật cản. Máy thu cũng bị ảnh hưởng bởi nhiễu và đồng hồ đếm thời gian có sai số. Vị trí của các vệ tinh GPS tại thời điểm phát và nhận tín hiệu là khác nhau. Các đồng hồ trên vệ tinh cũng có sai số, mặc dù rất nhỏ. Tất cả các yếu tố này ảnh hưởng đến GPS độ chính xác. Các yếu tố chính gây ra sai số bao gồm: sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số tầng điện ly, sai số tầng đối lưu, sai số do hiệu ứng đa đường và sai số gây ra tại máy thu. Để khắc phục, cần hiểu rõ và giảm thiểu từng loại sai số. Theo tài liệu gốc, có sáu yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống GPS, đòi hỏi các biện pháp khắc phục cụ thể.

2.1. Sai Số Tầng Điện Ly Tác Động và Giải Pháp

Tầng điện ly là lớp trên của khí quyển, chứa nhiều ion và điện tích tự do do tác động của bức xạ mặt trời. Tín hiệu GPS bị trễ khi truyền qua tầng điện ly. Mật độ các hạt mang điện tích (TEC) ảnh hưởng đến độ trễ. Tín hiệu GPS chịu ảnh hưởng mạnh nhất ở gần xích đạo và hai vùng cực. Ảnh hưởng của tầng điện ly thay đổi theo thời gian trong ngày và giữa các ngày trong năm. Ban ngày, tín hiệu GPS bị trễ lớn hơn so với ban đêm. Để giảm sai số do tầng điện ly, có ba phương pháp chính: sử dụng mô hình Klobuchar, sử dụng máy thu hai tần số và sử dụng các hệ thống hỗ trợ SBAS hoặc DGPS. Sử dụng mô hình Klobuchar có thể giảm sai số từ 2-5m. Máy thu hai tần số có thể giảm sai số xuống dưới 1m. Các hệ thống SBAS hoặc DGPS cũng có thể giảm sai số xuống dưới 1m.

2.2. Hiệu Ứng Đa Đường và Xử Lý Tín Hiệu GPS Giải Pháp

Hiện tượng đa đường xảy ra khi tín hiệu GPS va chạm với các vật cản như đồi núi, tòa nhà, cây cối trước khi đến antenna của máy thu. Tín hiệu bị phản xạ tạo ra các bản sao tín hiệu, gây trễ và suy hao. Máy thu không thể phân biệt tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ, gây sai số. Việc dự đoán và triệt tiêu sai số do hiệu ứng đa đường rất khó khăn. Tuy nhiên, có thể sử dụng các phương pháp như MET (Multipath Elimination Technology) và MEDLL (Multipath Estimating Delay Lock Loop) để đánh giá sai số. Cách tốt nhất là đặt antenna ở vị trí ít vật cản để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng đa đường. Nghiên cứu chỉ ra rằng, vị trí đặt antenna có ảnh hưởng lớn đến khả năng giảm thiểu sai số do hiện tượng đa đường, đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng trong triển khai.

III. Mã Sửa Sai GPS Phương Pháp Nâng Cao Độ Chính Xác 59

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về độ chính xác, các nhà khoa học đã tìm cách loại bỏ hoặc giảm ảnh hưởng của các yếu tố gây sai số cho GPS. Các phương pháp này tập trung vào việc sửa sai quỹ đạo vệ tinh, đồng hồ vệ tinh và sai số tầng điện ly. Các phương pháp bao gồm sử dụng máy thu hai tần số, sử dụng mô hình Klobuchar và sử dụng các hệ thống tăng cường. Các phương pháp sửa sai này cho phép nâng cao đáng kể GPS độ chính xác trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như trắc địa, bản đồ và nông nghiệp chính xác. Luận văn tập trung vào việc thiết kế và phát triển thuật toán để nâng cao độ chính xác của GPS sử dụng mã sửa sai GPS tại trạm gốc. Theo tài liệu, việc triển khai mã sửa sai GPS là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu sai số và tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.1. GPS Vi Phân DGPS Nguyên Lý và Ứng Dụng

GPS vi phân (DGPS) là một phương pháp sử dụng các trạm tham chiếu cố định để xác định và sửa sai các sai số trong tín hiệu GPS. Các trạm tham chiếu này biết chính xác vị trí của chúng và có thể tính toán sai số giữa vị trí thực tế và vị trí được xác định bởi GPS. Thông tin về sai số này được truyền đến các máy thu GPS gần đó, cho phép chúng sửa sai vị trí của mình. DGPS có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của GPS, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như khảo sát, xây dựng và nông nghiệp chính xác. Tài liệu tham khảo chỉ ra rằng, DGPS là một phương pháp đã được chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác, đặc biệt trong các ứng dụng chuyên biệt.

3.2. RTK Real Time Kinematic Độ Chính Xác Cao Thời Gian Thực

RTK (Real Time Kinematic) là một kỹ thuật định vị GPS cho phép đạt được độ chính xác cao (cỡ centimet) trong thời gian thực. RTK sử dụng một trạm tham chiếu cố định và một máy thu di động. Trạm tham chiếu gửi thông tin sửa sai pha sóng mang đến máy thu di động, cho phép máy thu tính toán vị trí của nó với độ chính xác cao. RTK được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như khảo sát địa hình, xây dựng công trình và nông nghiệp chính xác. Kỹ thuật RTK đòi hỏi đường truyền dữ liệu ổn định giữa trạm tham chiếu và máy thu di động. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, RTK có thể cung cấp độ chính xác cao hơn DGPS, nhưng đòi hỏi thiết bị và kỹ thuật phức tạp hơn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn GPS Chính Xác Cao và Kết Quả 57

Các phương pháp nâng cao độ chính xác GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong nông nghiệp chính xác, GPS được sử dụng để điều khiển máy móc nông nghiệp, giúp tối ưu hóa việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu và nước tưới. Trong xây dựng, GPS được sử dụng để định vị và điều khiển máy móc xây dựng, giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí. Trong khảo sát, GPS được sử dụng để đo đạc địa hình với độ chính xác cao. Ngoài ra, GPS còn được sử dụng trong các ứng dụng như giám sát môi trường, dẫn đường phương tiện tự hành và giao thông thông minh. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng mã sửa sai GPS có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống GPS trong các ứng dụng thực tế.

4.1. GPS Cho Nông Nghiệp Chính Xác Tối Ưu Hóa Quy Trình

Trong nông nghiệp chính xác, GPS chính xác cao được sử dụng để điều khiển máy kéo, máy gieo hạt, máy phun thuốc và các thiết bị nông nghiệp khác. GPS cho phép xác định chính xác vị trí của máy móc trên đồng ruộng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và giảm thiểu tác động đến môi trường. Ví dụ, máy kéo có thể tự động lái theo các đường đã được lập trình trước, giúp giảm chồng lấn và bỏ sót. Máy phun thuốc có thể điều chỉnh lượng thuốc phun theo từng khu vực trên đồng ruộng, giúp giảm lượng thuốc sử dụng và tránh gây ô nhiễm. Ứng dụng GPS chính xác giúp tăng năng suất, giảm chi phí và bảo vệ môi trường trong nông nghiệp. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng GPS trong nông nghiệp chính xác có thể tăng năng suất từ 5-10%.

4.2. GPS Cho Khảo Sát và Xây Dựng Độ Tin Cậy Cao

Trong khảo sát và xây dựng, GPS chính xác cao được sử dụng để đo đạc địa hình, định vị công trình và điều khiển máy móc xây dựng. GPS cho phép đo đạc địa hình với độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp tạo ra các bản đồ địa hình chính xác. GPS cũng được sử dụng để định vị các công trình xây dựng, giúp đảm bảo rằng các công trình được xây dựng đúng vị trí và kích thước. Ngoài ra, GPS còn được sử dụng để điều khiển máy móc xây dựng như máy ủi, máy xúc và máy san, giúp tăng hiệu quả và giảm chi phí. GPS cho khảo sát và xây dựng giúp tăng độ chính xác, giảm thời gian và chi phí trong các dự án xây dựng. Báo cáo từ các công ty xây dựng cho thấy rằng, việc sử dụng GPS có thể giảm thời gian hoàn thành dự án từ 10-20%.

V. Thuật Toán Sửa Sai GPS Phát Triển và Đánh Giá 60

Luận văn của Phan Duy Chinh tập trung vào việc thiết kế và phát triển thuật toán sửa sai GPS tại trạm gốc. Thuật toán này sử dụng mã sửa sai GPS để giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác của hệ thống. Thuật toán được đánh giá bằng cách sử dụng dữ liệu thực tế từ các trạm GPS. Kết quả đánh giá cho thấy rằng thuật toán có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của GPS, đặc biệt trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt và môi trường đô thị. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các phương pháp nâng cao độ chính xác GPS và mở ra các cơ hội mới trong các ứng dụng định vị.

5.1. Thiết Kế Module GPS và Sử Dụng Mã Sửa Sai

Luận văn tập trung vào thiết kế module GPS và sử dụng mã sửa sai trong tín hiệu SBAS để giảm sai số của GPS. Việc đánh giá khả năng sửa sai khi sử dụng mã chập trong tín hiệu SBAS cũng được thực hiện. Các thông tin module GPS thu được được giải mã. Phần mềm U-Center được giới thiệu và sử dụng để thu thập các thông tin của module GPS. Phần mềm ước lượng trễ tầng điện ly bằng mô hình Klobuchar cũng được phát triển. Các tính toán ước lượng trễ tầng điện ly được thực hiện. Các tham số Klobuchar được sử dụng để tính toán trễ tầng điện ly cho từng vệ tinh GPS. Kết quả cho thấy, việc sử dụng mã sửa sai trong tín hiệu SBAS có thể giảm đáng kể sai số của GPS.

5.2. Giải Mã Thông Tin Module GPS và Đánh Giá

Luận văn tập trung vào quá trình giải mã các thông tin mà module GPS thu được. Phần mềm U-Center được sử dụng để thu thập các thông tin này. Các thông tin bao gồm dữ liệu vị trí, thời gian, và các tham số về chất lượng tín hiệu. Dữ liệu này sau đó được sử dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống GPS. Mức tín hiệu của các vệ tinh GPS mà máy thu thu được được ghi lại. Độ chính xác của module GPS khi sử dụng mã sửa sai được đánh giá. Tỷ lệ các mức sai số của module GPS khi sử dụng mã sửa sai được tính toán. So sánh độ chính xác của module GPS trong trường hợp sử dụng mã sửa sai và trong trường hợp không sử dụng mã sửa sai. Kết quả cho thấy, việc sử dụng mã sửa sai cải thiện đáng kể độ chính xác.

VI. Tương Lai Của Độ Chính Xác GPS Hướng Phát Triển 56

Trong tương lai, độ chính xác GPS sẽ tiếp tục được cải thiện nhờ vào sự phát triển của công nghệ vệ tinh, thuật toán xử lý tín hiệu và các hệ thống hỗ trợ. Các hệ thống GNSS mới như Galileo và BeiDou sẽ cung cấp thêm các tín hiệu định vị, giúp tăng độ tin cậy và chính xác của hệ thống định vị toàn cầu. Các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến sẽ giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố gây sai số. Các hệ thống hỗ trợ như SBAS và DGPS sẽ tiếp tục được phát triển và mở rộng. Với những tiến bộ này, GPS chính xác cao sẽ ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

6.1. Tích Hợp Hệ Thống Định Vị Đa Nguồn GNSS

Tích hợp hệ thống định vị đa nguồn GNSS (Global Navigation Satellite System) là một xu hướng quan trọng trong tương lai. Bằng cách kết hợp tín hiệu từ nhiều hệ thống GNSS khác nhau như GPS, GLONASS, Galileo và BeiDou, có thể tăng độ tin cậy và chính xác của hệ thống định vị. Tích hợp đa nguồn GNSS giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố gây sai số, chẳng hạn như che khuất tín hiệu và nhiễu sóng. Ngoài ra, tích hợp đa nguồn GNSS còn giúp tăng khả năng định vị trong các khu vực có mật độ vệ tinh thấp. Sự kết hợp của nhiều hệ thống GNSS sẽ mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng định vị trong tương lai.

6.2. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo AI trong GPS

Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong GPS hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể. AI có thể được sử dụng để phân tích và dự đoán các sai số trong tín hiệu GPS, giúp cải thiện độ chính xác. AI cũng có thể được sử dụng để phát hiện và loại bỏ các tín hiệu nhiễu, giúp tăng độ tin cậy của hệ thống. Ngoài ra, AI còn có thể được sử dụng để tối ưu hóa thuật toán định vị, giúp giảm thời gian tính toán và cải thiện hiệu suất. Ứng dụng AI trong GPS mở ra các cơ hội mới trong các lĩnh vực như lái xe tự động, robot và Internet of Things (IoT).

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ GNSS VÀ GPS 1.1 GNSS GNSS hay Global Navigation Satellite System là một thuật ngữ chỉ các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh. Nó là một hệ thống bao gồm các vệ tinh di chuyển xung quanh trái đất trên các quĩ đạo nhất định hay còn được gọi với tên khác là các chòm sao vệ tinh, các trạm điều khiển đặt dải rác trên bề mặt trái đất và các thiết bị người dùng thu các tín hiệu vệ tinh phục vụ cho các ứng dụng liên quan tới vị trí, dẫn đường. Để xác định vị trí của thiết bị người dùng bằng hệ thống định vị vệ tinh, tối thiểu chúng ta cần phải biết khoảng cách từ thiết bị người dùng tới 4 vệ tinh như mô tả trên hình 1.

Các hệ thống định vị vệ tinh hoạt động được trong mọi điều kiện thời tiết, liên tục 24h và bao phủ toàn bộ hay một phần rộng lớn bề mặt trái đất. Vì vậy mà các ứng dụng GNSS khá phổ biến ngày này, chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp các ứng dụng GNSS trong cuộc sống thường ngày. Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay dân sự đều sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS. Trong lĩnh vực giao thông, các hệ thống giám sát hành trình, tìm đường, chỉ hướng, điều khiển giao thông sử dụng GNSS đã trở thành một phần không thể thiếu của cuộc sống hiện đại ngày nay.

Trong lĩnh vực hàng hải, GNSS là công cụ dẫn đường trên biển lý tưởng. Nó giúp các tàu bè biết được vị trí và xác định được phương hướng của mình và nó đặc biệt hiệu quả trong các trường hợp tìm kiếm cứu nạn trên biển. Hiện nay, trên thế giới có khá nhiều các hệ thống GNSS đang và sắp được đưa vào hoạt động như GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (EU), Compass (Trung Quốc), IRNSS (Ấn Độ), QZSS (Nhật Bản). Trong đó: GPS là hệ thống định vị vệ tinh ra đời đầu tiên trên thế giới.

Nó được triển khai vào năm 1970 bởi bộ quốc phòng Mỹ. Mục đích ban đầu của hệ thống GPS là phục vụ cho các hoạt động quân sự của quân đội Mỹ. Nhưng sau này nó mở rộng cung cấp dịch vụ cho cả hoạt động quân sự và dân sự. GPS có vùng phủ bao trùm toàn bộ bề mặt trái đất.

7 download by : [e-mail] Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng MãSửa Sai Ở Trạm Gốc GLONASS là hệ thống định vị được phát triển bới chính phủ Nga. GLONASS bao gồm 24 vệ tinh. Cũng giống như GPS, GLONASS cũng có vùng bao trùm toàn bộ bề mặt trái đất. Galileo là hệ thống định vị được quản lý bới liên minh châu âu EU.

Năm 2006 hệ thống đã tiến hành triển khai đưa 3 vệ tinh đầu tiên lên quĩ đạo vệ tinh. Tính tới thời điểm hiện nay 8/2016, hệ thống vẫn đang trong thời gian hoàn thiện và sẽ được đưa vào hoạt động trong một vài năm tới. Khác với các hệ thống GPS và GLONASS, hệ thống Galileo chỉ phục vụ cho các hoạt động dân sự. Compass là hệ thống định vị của Trung Quốc.

Nó gồm có 35 vệ tinh. Hiện nay hệ thống này mới chỉ bao phủ khu vực Trung Quốc và các vùng lân cận. Dự kiến hệ thống này sẽ bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất vào năm 2025-2030 [1]. IRNSS là hệ thống định vị mà Ấn Độ đang phát triển.

Nó gồm có 7 vệ tinh, vùng bao phủ của nó là khu vực Ấn Độ và các khu vực lân cận [1]. QZSS là hệ thống định vị do Nhật Bản phát triển và quản lý. Hiện tại hệ thống này mới có 1 vệ tinh được đưa lên quĩ đạo. Dự kiến tới cuối năm 2017, sẽ có thêm 3 vệ tinh nữa được đưa lên quĩ đạo.

Khi hoàn thành hệ thống này sẽ có 7 vệ tinh. Vùng phủ của hệ thống này là khu vực Đông Á và khu vực thái bình dương. Trong các hệ thống GNSS hiện nay, hệ thống GPS là hệ thống đang được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất trong các mặt của đời sống. Vì vậy, tác giả sẽ đi sâu vào nghiên cứu tìm hiểu về các đặc điểm của hệ thống này trong các phần tiếp theo của luận văn.

8 download by : [e-mail] Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng MãSửa Sai Ở Trạm Gốc Hình 1.1 Nguyên lý xác định vị trí của hệ thống GNSS (http://what-when- how.com/a-software-defned-gps-and-galileo-receiver/gnss-receiver- operation-overview-gps-and-galileo-receiver/) 1.1 Giới thiệu về hệ thống GPS GPS hay Global Positioning System là hệ thống định vị xác định vị trí dựa vào vị trí của các vệ tinh nhân tạo, do bộ quốc phòng Mỹ thiết kế, phát triển và vận hành. Hệ thống GPS được biết đến vào những năm đầu thập niên 70 của thế kỷ 20, ban đầu hệ thống GPS chỉ phục vụ cho các mục đích quân sự của quân đội Mỹ. Đến năm 1980, bộ quốc phòng Mỹ đã cho phép các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự sử dụng hệ thống GPS. Nhưng để đảm bảo các ứng dụng phục vụ cho các mục đích dân sự không được sử dụng cho các mục đích quân sự, bộ quốc phòng Mỹ đã kích hoạt chế độ SA với các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự sử dụng GPS, nhằm làm giảm độ chính xác của hệ thống GPS với các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự.

Năm 1993, bộ quốc phòng Mỹ đã hoàn thành việc đưa 24 vệ tinh nhân tạo lên quỹ đạo, dấu mốc đánh dấu sự hoàn thiện của hệ thống GPS, từ thời điểm này hệ thống GPS có thể cung cấp các dịch vụ của mình tới mọi nơi trên bề mặt trái đất. Năm 2000, bộ quốc phòng Mỹ đã quyết định tắt chế độ SA với các ứng dụng 9 download by : [e-mail] Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng MãSửa Sai Ở Trạm Gốc phục vụ cho mục đích dân sự, điều này giúp cho các ứng dụng xác định vị trí sử dụng GPS phát triển mạnh mẽ và hiện nay nó có mặt trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Những năm gần đây, độ chính xác của hệ thống GPS liên tục được cải thiện, hiện tại hệ thống GPS có thể đạt được độ chính xác trong phạm vi 3-5m. Ngoài ra, hệ thống GPS có thể kết hợp với các hệ thống hỗ trợ khác để giảm các sai số trong quá trình truyền tín hiệu, nâng cao độ chính xác của hệ thống.

Nếu kết hợp với các hệ thống hỗ trợ hệ thống GPS hoàn toàn có thể đạt được độ chính xác dưới 1m. Theo thiết kế ban đầu, hệ thống GPS bao gồm 27 vệ tinh nhân tạo, trong đó 24 vệ tinh được dùng để xác định vị trí của thiết bị người dùng, 3 vệ tinh dự phòng dùng trong trường hợp các vệ tinh dùng để xác định vị trí gặp trục trặc hay trong trường hợp bảo trì, bảo dưỡng hệ thống. 24 vệ tinh GPS di chuyển trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, các mặt phẳng quỹ đạo này nghiêng 55 0 so với mặt phẳng xích đạo, 4 vệ tinh di chuyển trên một mặt phẳng quỹ đạo. Với việc bố trí như trên sẽ đảm bảo rằng ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất các máy thu GPS cũng có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh GPS.

Do vậy, chúng ta có thể xác định được vị trí của mình dù ở bất kỳ vị trí nào trên bề mặt trái đất bằng hệ thống GPS. Để cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS, bộ quốc phòng Mỹ đã tiến hành phóng thêm các vệ tinh GPS lên quỹ đạo để đo đạc, tính toán các sai số của hệ thống. Tính đến thời điểm 2/2016, hệ thống GPS đã có tổng cộng 32 vệ tinh, trong đó 31 vệ tinh đang được sử dụng. Các vệ tinh GPS hoạt động trên các quỹ đạo có độ cao 20200 Km so với bề mặt của trái đất.

Thời gian để các vệ tinh GPS bay hết một vòng quỹ đạo là 11h58 phút. Các tín hiệu GPS được phát quảng bá ở băng tần L1=1575.45MHz và băng tần L2=1227. Trong đó, băng tần L1, L5 sẽ được dùng cho các ứng dụng phục vụ cho mục đích dân sự, băng tần L2 được dùng cho các ứng dụng phục vụ cho mục đích quân sự. Ở các phần tiếp theo, chúng ta sẽ đi vào cụ thể xem hệ thống GPS có cấu trúc như thế nào, nguyên lý hoạt động ra sao, các tín hiệu được truyền đi như thế nào.

10 download by : [e-mail] Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng MãSửa Sai Ở Trạm Gốc 1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS Hệ thống GPS bao gồm 3 thành phần chính là phân hệ không gian, phân hệ điều khiển và phân hệ người dùng như mô tả ở hình 1. Trong đó, phân hệ không gian là các hoạt động của các vệ tinh trên quĩ đạo, phân hệ điều khiển là các trạm mặt đất liên quan tới quá trình giám sát, điều khiển hệ thống, phân hệ người dùng là các thiết bị thu tín hiệu GPS bao gồm cả lĩnh vực quân sự và dân sự.2 Cấu trúc của hệ thống GPS (Ublox, 2007) a. Phân hệ không gian Phân hệ không gian của hệ thống GPS bao gồm 32 vệ tinh bay vòng quanh trái đất trên 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau. Trong đó có tối thiểu 4 vệ tinh bay trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo như mô tả trong hình 1.

Quỹ đạo của các vệ tinh GPS là hình ellipse có độ lệch tâm rất nhỏ 0.02 vì vậy trông nó gần giống với hình tròn, độ dài bán trục lớn xấp xỉ 26600 Km gấp khoảng 4 lần bán kính trái đất và nghiêng 55 o so với đường xích đạo [4]. Quỹ đạo của các vệ tinh GPS có độ cao so với bề mặt trái đất là 20200 Km, do đó nó thuộc quỹ đạo MEO. Các vệ tinh chuyển 11 download by : [e-mail] Thiết Kế Phát Triển Thuật Toán Nâng Cao Độ Chính Xác Của GPS Sử Dụng MãSửa Sai Ở Trạm Gốc động trên quỹ đạo vệ tinh với vận tốc là 3.9 Km/s, nó mất 11h58 phút để hoàn thành hết 1 vòng quỹ đạo. Do quá trình tự quay của trái đất nên vệ tinh sẽ trở vệ vị trí xuất phát ban đầu của nó ở trên bề mặt trái đất sau 23h56 phút.

Với thiết kế như vậy sẽ giúp cho các máy thu GPS ở tại một điểm bất kỳ nào trên bề mặt trái đất luôn nhìn thấy được tối thiểu 4 vệ tinh với góc ngẩng lớn hơn 15 o .