Tổng quan luận án

Công nghệ định vị vệ tinh toàn cầu (GNSS) đã được đưa vào ứng dụng tại Việt Nam từ những năm 1990 và trở thành công cụ quan trọng trong các đơn vị sản xuất trắc địa - bản đồ. Tuy nhiên, hoạt động khai thác công nghệ GNSS tại Việt Nam trong nhiều năm qua vẫn hoàn toàn phụ thuộc vào thiết bị và các gói phần mềm thương mại hoặc phần mềm chuyên dụng của nước ngoài. Việc trang bị bản quyền phần mềm nước ngoài đòi hỏi kinh phí lớn (từ vài nghìn USD đối với phần mềm thương mại thông dụng đến hơn 20.000 USD, cụ thể là khoảng 26.000 USD đối với phần mềm chuyên dụng như Bernese). Đồng thời, việc phụ thuộc vào phần mềm ngoại nhập tiềm ẩn rủi ro lớn đối với hoạt động sản xuất thực tiễn; điển hình là sự kiện tháng 9 năm 2011 khi hai phần mềm xử lý dữ liệu phổ biến là GPSurvey 2.35 và Trimble Geomatics Office (TGO) hết thời hạn sử dụng và ngừng hỗ trợ kỹ thuật, khiến nhiều đơn vị sản xuất trong nước bị chậm tiến độ bàn giao sản phẩm do không thể xử lý số liệu đo. Bên cạnh đó, công tác giảng dạy chuyên ngành định vị vệ tinh tại các cơ sở đào tạo như Trường Đại học Mỏ - Địa chất vẫn sử dụng các phần mềm thương mại dạng "hộp đen", chưa tạo điều kiện để người học tiếp cận bản chất thuật toán tính toán.

Các nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS công bố trong nước trước đây thường tồn tại ở dạng đơn lẻ, rời rạc, chưa hoàn thiện thành quy trình tính toán tường minh, thiếu vắng các thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối chính xác (PPP), định vị tương đối động (PPK, RTK), cũng như chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về ứng dụng phép lọc Kalman và phương pháp xác định trọng số trị đo dựa trên ước lượng phương sai của các nguồn sai số. Đối với các đơn vị không trực tiếp chế tạo phần cứng máy thu, việc tiếp cận xử lý dữ liệu định vị vệ tinh từ định dạng chuẩn quốc tế RINEX là hướng đi phù hợp nhằm chủ động công nghệ.

Luận án "Nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS dạng RINEX nhằm phát triển ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ở Việt Nam" được nghiên cứu sinh Nguyễn Gia Trọng thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Nam Chinh tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, 2019), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật trắc địa - bản đồ, mã số 9520503.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án bao gồm hai nội dung chính:

  1. Làm rõ và hệ thống hóa các thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối.
  2. Xây dựng chương trình máy tính xử lý số liệu định vị vệ tinh trực tiếp từ định dạng chuẩn trao đổi RINEX.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm có:

  1. Định dạng dữ liệu chuẩn trao đổi độc lập máy thu RINEX.
  2. Các phương pháp mô hình hóa và hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS.
  3. Thuật toán giải các bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối.
  4. Phương pháp và công nghệ xây dựng chương trình phần mềm xử lý dữ liệu GNSS.

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Không gian và nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu đo GNSS định dạng RINEX tại các điểm trạm quan trắc ở Việt Nam và các trạm thuộc mạng lưới Dịch vụ GNSS Quốc tế (IGS) trên thế giới, kết hợp các tệp dữ liệu phụ trợ tải từ internet.
  • Nội dung kỹ thuật: Luận án tập trung chuyên sâu vào các thuật toán xử lý dữ liệu GPS một tần số (L1). Đây là bài toán nền tảng, việc tường minh hóa toàn bộ quy trình tính toán đối với dữ liệu một tần số tạo cơ sở phương pháp luận để mở rộng phát triển cho các bài toán xử lý dữ liệu đa tần số và đa hệ thống vệ tinh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các hướng nghiên cứu trên thế giới cho thấy hệ thống lý thuyết và thuật toán xử lý số liệu GNSS đã được chuẩn hóa và giới thiệu qua các tài liệu giáo khoa kinh điển của Hofmann-Wellenhof, Teunissen, Alfred Leick, Montenbruck, Martin.P. Các bài toán định vị cơ bản được phân định rõ ràng giữa định vị tuyệt đối (gồm bài toán định vị thông thường SPP và định vị chính xác PPP) và định vị tương đối (gồm tương đối tĩnh, tương đối động xử lý sau PPK và tương đối động thời gian thực RTK).

Vấn đề giải số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng) trong trị đo pha sóng tải là trọng tâm nghiên cứu của nhiều tác giả quốc tế. Bảng tổng hợp các phương pháp giải số nguyên đa trị được tác giả trích dẫn từ tài liệu chuyên khảo như sau:

Tên phương pháp Ký hiệu viết tắt Tác giả và năm công bố
Kỹ thuật giải số nguyên đa trị theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất LSAST Hatch (1990)
Phương pháp giải nhanh số nguyên đa trị FARA Frei và Beutler (1990)
Cải tiến phân tách Cholesky - Euler và Landau (1992)
Bình sai tương quan số nguyên đa trị theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất LAMBDA Teunissen (1993)
Phương pháp rỗng (Null approach) - Martin-Neira và cộng sự (1995); Fernandez-Plazaola và cộng sự (2004)
Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng phép lọc FASF Chen và Lachapelle (1995)
Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng 3 loại sóng tải TCAR Harris (1997)
Tích hợp TCAR - Vollath và cộng sự (1998)
Phương pháp tối ưu giải số nguyên đa trị OMEGA Kim và Langley (1999)
Phương pháp giải số nguyên đa trị theo dòng CIR Jung và cộng sự (2000)

Về mặt công cụ phần mềm, thế giới hình thành 4 nhóm chính:

  1. Nhóm phần mềm thương mại đi kèm thiết bị: Trimble Business Center (TBC), Trimble Geomatics Office (TGO), Trimble Total Control (TTC), GPSurvey (Trimble); Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tools (Topcon); Leica GNSS Spider (Leica); Hi-Target Geomatics Office (HGO).
  2. Nhóm phần mềm học thuật, nghiên cứu khoa học chuyên dụng đạt độ chính xác cao: Bernese (Đại học Bern - Thụy Sỹ, phát triển qua các phiên bản 3.0 năm 1988, 4.0 năm 1996 với mô đun ADDNEQ, 4.2 dùng Fortran90 với ADDNEQ2, 5.0 năm 2004/2007 có giao diện đồ họa BPE và phiên bản 5.2 tích hợp các mô hình VMF1, GMF/GPT, IERS 2010); GAMIT/GLOBK (Viện Công nghệ Massachusetts - MIT, Viện Scripps và Đại học Harvard, gồm ba khối GAMIT, GLOBK và Fonda); GIPSY-OASIS (Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực JPL thuộc NASA, công bố từ năm 1985 với hơn 400.000 dòng lệnh, đạt độ chính xác 1 ppb).
  3. Nhóm phần mềm mã nguồn mở: RTKLib (T. Takasu phát triển trên C++, hỗ trợ đa hệ vệ tinh, đa chế độ đo từ định vị đơn đến PPP và RTK); gói phần mềm LAMBDA 3.0 (Sandra Verhagen và Bofeng Li - Đại học Công nghệ Delft viết trên Matlab, kế thừa từ bản Fortran-77 của De Jonge và Tiberius năm 1996, Borre năm 1997, Joosten năm 2001 và thuật toán MLAMBDA của Chang năm 2005).
  4. Dịch vụ xử lý trực tuyến: Hệ thống OPUS (gồm OPUS-S xử lý dữ liệu tĩnh 2–48 giờ đạt sai số mặt bằng dưới 3 cm, OPUS-RS xử lý dữ liệu 15 phút đến 2 giờ với HDOP khoảng 1,7, và OPUS-DB của Cục Khảo sát Trắc địa Quốc gia Hoa Kỳ NGS); hệ thống xử lý dữ liệu trực tuyến NRCan của Canada.

Tại Việt Nam, các công trình giáo trình và sách chuyên khảo của PGS.TS. Đặng Nam Chinh, PGS.TS. Đỗ Ngọc Đường, PGS.TSKH. Hà Minh Hòa, PGS.TS. Nguyễn Ngọc Lâu, TS. Trần Hồng Quang đã cung cấp nền tảng lý thuyết chung về công nghệ định vị vệ tinh. Về nghiên cứu thuật toán: Trần Quốc Bình và Lim Samsung nghiên cứu phương pháp làm giảm tương quan giữa các số nguyên đa trị; Nguyễn Thị Thanh Hương nghiên cứu các phương pháp giải số nguyên đa trị; Hà Minh Hòa, Nguyễn Ngọc Lâu và Nguyễn Thị Thanh Hương nghiên cứu thuật toán phát hiện và sửa chữa hiện tượng trượt chu kỳ pha sóng tải với độ chính xác đạt 0,5 chu kỳ; Nguyễn Ngọc Lâu đề xuất các công thức tính trọng số trị đo phụ thuộc vào góc cao vệ tinh; Hà Minh Hòa công bố công thức hiệu chỉnh độ cao ăng ten máy thu vào tệp trị đo đơn.

Về nghiên cứu xây dựng phần mềm trong nước: Trung tâm NAVIS (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) phát triển bộ giải pháp NAVISTAR (bao gồm NAVISAP-Server, NAVISAP-Client-BS và NAVISAP-Client-Android) phục vụ định vị độ chính xác cỡ centimet và truyền luồng dữ liệu chuẩn NTRIP; Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ phát triển gói phần mềm GUST (Hà Minh Hòa và cộng sự) gồm các mô đun Sclean, Dclean, Edit và ECME-GPS phục vụ xử lý cạnh dài trong nghiên cứu địa động lực; TS. Nguyễn Thị Thanh Hương và cộng sự phát triển phần mềm GNSS-PRO xử lý cạnh ngắn GPS/GLONASS đạt lời giải dạng cố định (fixed) với tỉ số ratio > 2; TS. Nguyễn Văn Đông xây dựng hệ thống tự động tải dữ liệu phụ trợ phục vụ phần mềm Bernese để xác định lượng hơi nước tích tụ (PWV) và tâm bão.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Mặc dù đã có một số công bố, các nghiên cứu trong nước trước đó chủ yếu dừng lại ở các bài toán xử lý cạnh tĩnh riêng lẻ hoặc phụ thuộc vào thư viện của phần mềm nước ngoài; chưa có công trình nào thiết lập hoàn chỉnh, tường minh toàn bộ chu trình xử lý dữ liệu từ định dạng RINEX, chưa giải quyết thấu đáo vấn đề đồng bộ hóa thời gian thông qua đạo hàm bậc nhất của khoảng cách theo thời gian, chưa áp dụng ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn RTCA kết hợp bộ lọc Kalman để giải bài toán định vị tuyệt đối và chưa xây dựng thuật toán xử lý hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng cơ sở toán học dựa trên hệ thống các phương trình trị đo cơ bản trong định vị vệ tinh:

  1. Trị đo khoảng cách giả theo mã (Pseudorange): Khoảng cách xác định qua thời gian truyền tín hiệu mã tịnh tiến giữa vệ tinh $i$ và máy thu $j$ tại thời điểm $t$: $$P_j^i(t) = \rho^i(t) + c\delta t(t) + I_j^i(t) + T_j^i(t) + \varepsilon_j^i(t)$$ Trong đó $c = 299.792.458\text{ m/s}$ là vận tốc truyền sóng ánh sáng trong chân không; $\rho^i(t) = \sqrt{(X^i - X)^2 + (Y^i - Y)^2 + (Z^i - Z)^2}$ là khoảng cách hình học; $\delta t$ là sai số tổng hợp của đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh; $I_j^i(t)$ và $T_j^i(t)$ lần lượt là số hiệu chỉnh khúc xạ tầng điện ly và tầng đối lưu; $\varepsilon_j^i(t)$ là ảnh hưởng của sai số trễ phần cứng (DCB), độ lệch tâm pha ăng ten và đa đường dẫn.

  2. Trị đo pha sóng tải (Carrier phase): Hiệu số pha giữa dao động sóng tải do máy thu tạo ra và sóng tải nhận từ vệ tinh: $$\Phi_{r,j}^s(t) = \rho_r^s(t, t - \tau_{sr}) + I_{r,j}^s(t) + T_r^s(t) + c(dt_r(t) - dt^s(t - \tau_{sr})) + \delta_{r,j}(t) + \delta_{s,j}(t - \tau_{sr}) + \lambda_j N_{r,j}^s + \varepsilon_{r,j}^s(t)$$ Trong đó $\lambda_j$ là bước sóng của tần số sóng tải $j$; $N_{r,j}^s$ là số nguyên đa trị chưa xác định; $dt_r$ và $dt^s$ là sai số đồng hồ máy thu và vệ tinh; $\delta_{r,j}$ và $\delta_{s,j}$ là trễ phần cứng máy thu và vệ tinh.

  3. Trị đo Doppler: Hiện tượng dịch chuyển tần số do chuyển động tương đối giữa vệ tinh và máy thu: $$f_d = -\frac{V_\rho}{\lambda} = -\frac{1}{\lambda}\frac{d\rho}{dt}$$ Trị đo Doppler ít chịu ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu, được sử dụng để xác định vận tốc và hỗ trợ tính số hiệu chỉnh thay đổi khoảng cách theo thời gian.

Cơ sở hiệu chỉnh các nguồn sai số:

  • Sai số đồng hồ vệ tinh: Được xác định trong bài toán SPP thông qua đa thức bậc hai từ các hệ số $a_0, a_1, a_2$ trong tệp lịch vệ tinh quảng bá: $t^s = a_0 + a_1(t - t_{oe}) + a_2(t - t_{oe})^2$. Đối với bài toán định vị chính xác, sai số đồng hồ được nội suy từ tệp số hiệu chỉnh đồng hồ chính xác (.clk) bằng đa thức Lagrange bậc từ 9 trở lên.
  • Sai số tâm pha ăng ten vệ tinh (PCO/PCV): Hiệu chỉnh dựa trên việc xác định véc tơ vị trí Mặt Trời $n_{sun}$ trong hệ tọa độ địa tâm kết hợp các tham số độ lệch tâm pha do IGS cung cấp theo định dạng ANTEX.
  • Sai số tầng điện ly: Hiệu chỉnh bằng mô hình Klobuchar sử dụng 8 tham số $\alpha, \beta$ phát trong bản tin đạo hàng, hoặc sử dụng tệp bản đồ điện tử IONEX toàn cầu.
  • Sai số tầng đối lưu: Hiệu chỉnh bằng các mô hình khí quyển chuẩn (áp suất, nhiệt độ theo mô hình GPT/GMF) kết hợp các hàm ánh xạ đối lưu.
  • Hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu: Khi sai số đồng hồ máy thu tăng dần đến ngưỡng nhất định (như ngưỡng 0,0005 giây ở dòng máy Topcon GB-1000), phần mềm máy thu sẽ thực hiện bước nhảy đảo chiều dấu sai số, đòi hỏi thuật toán xử lý phải nhận diện và bù trừ để không làm gián đoạn chu trình lọc vị trí.

Phương pháp xử lý toán học:

  • Phương pháp số bình phương nhỏ nhất (LS) và ước lượng phương sai - hiệp phương sai (LS-VCE).
  • Thuật toán lọc Kalman tuyến tính ứng dụng cho việc ước lượng véc tơ trạng thái tọa độ và sai số đồng hồ theo từng thời điểm đo (epoch).
  • Phương pháp tìm kiếm số nguyên đa trị LAMBDA thực hiện biến đổi ma trận Z để khử tương quan ma trận hiệp phương sai của các số nguyên, kết hợp các kỹ thuật làm tròn (Integer Rounding - IR), làm tròn có điều kiện (Integer Bootstrapping - IB) và bình phương số nguyên nhỏ nhất (Integer Least-Squares - ILS).

Nguồn dữ liệu và công cụ thực hiện:

  • Nguồn tư liệu: Dữ liệu đo GNSS thu thực tế tại trạm Đan Phượng (DANP) thuộc hệ thống trắc địa Việt Nam và các trạm IGS quốc tế (như KUNM, PIMO); tệp lịch vệ tinh chính xác (.sp3), tệp sai số đồng hồ (.clk), tệp số hiệu chỉnh tải trọng đại dương (.BLQ), tệp trễ vi phân mã (.DCB) từ các trung tâm CODE, CDDIS, IERS.
  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp thu thập tài liệu, phân tích tổng hợp, mô hình hóa toán học và thực nghiệm lập trình xây dựng phần mềm trên nền tảng ngôn ngữ Visual Basic .NET (VB.net).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về thuật toán và phần mềm xử lý số liệu GNSS

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ định vị vệ tinh. Nội dung chương điểm lại các bước phát triển của thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối (SPP, PPP), định vị tương đối (tĩnh, động, RTK), các phương pháp giải số nguyên đa trị (Bảng 1.1), các phương pháp ước lượng phương sai và ứng dụng bộ lọc Kalman. Chương này phân tích chi tiết cơ chế hoạt động và cấu trúc của các nhóm phần mềm hiện hành: nhóm phần mềm thương mại của các hãng Trimble, Topcon, Leica, Hi-Target; nhóm phần mềm chuyên dụng khoa học gồm Bernese (với lịch sử phát triển từ bản 3.0 đến 5.2), GAMIT/GLOBK (gồm các mô đun GAMIT, GLOBK, Fonda) và GIPSY-OASIS của JPL; nhóm phần mềm mã nguồn mở như RTKLib, LAMBDA; cùng các hệ thống dịch vụ xử lý trực tuyến như OPUS, NRCan.

Đồng thời, chương 1 đánh giá khách quan hiện trạng nghiên cứu tại Việt Nam qua các công trình của Đặng Nam Chinh, Hà Minh Hòa, Nguyễn Ngọc Lâu, Nguyễn Thị Thanh Hương, Trung tâm NAVIS, chỉ ra sự cấp thiết phải xây dựng phần mềm tự chủ bằng tiếng Việt để xử lý định dạng RINEX, tránh rủi ro phụ thuộc bản quyền và phục vụ đào tạo, sản xuất.

Chương 2: Trị đo GNSS và vấn đề hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo

Chương 2 đi sâu phân tích bản chất vật lý và mô hình toán học của 3 loại trị đo cơ bản trong GNSS: khoảng cách giả theo mã (Pseudorange), trị đo pha sóng tải (Carrier phase) và trị đo Doppler. Tác giả phân loại và làm rõ phương pháp mô hình hóa, loại trừ các nguồn sai số:

  • Sai số từ vệ tinh: Sai số đồng hồ vệ tinh (tính toán từ đa thức tham số lịch quảng bá hoặc nội suy đa thức Lagrange từ tệp lịch chính xác), sai số quỹ đạo vệ tinh, độ lệch tâm pha ăng ten vệ tinh (PCO/PCV dựa trên véc tơ Mặt Trời $n_{sun}$), trễ vi phân mã DCB.
  • Sai số từ máy thu: Sai số đồng hồ máy thu, hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu (phân tích hiện tượng trên máy thu Topcon GB-1000 khi sai số đồng hồ đạt ngưỡng 0,0005 giây làm phát sinh bước nhảy trên đồ thị sai số), độ lệch và biến thiên tâm pha ăng ten máy thu, hiện tượng trượt chu kỳ pha sóng tải (cycle slip) do vật cản, nhiễu điện từ hoặc biến động điện ly.
  • Sai số môi trường truyền dẫn: Trễ tầng điện ly (mô hình Klobuchar, bản đồ IONEX), trễ tầng đối lưu (mô hình áp suất nhiệt độ GPT/GMF), hiện tượng đa đường dẫn tín hiệu.

Bên cạnh đó, chương 2 làm rõ cấu trúc tiêu chuẩn của định dạng dữ liệu RINEX (Receiver INdependent EXchange format), bao gồm quy tắc lưu trữ thông tin phần tiêu đề (Header) và phần dữ liệu thân tệp của tệp trị đo quan sát (Observation file) và tệp thông tin đạo hàng (Navigation file).

Chương 3: Thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối

Chương 3 thiết lập chi tiết quy trình thuật toán toán học cho các bài toán định vị:

  • Thuật toán định vị tuyệt đối tiêu chuẩn (SPP): Thiết lập hệ phương trình sai số số gia từ trị đo khoảng cách giả; đề xuất thuật toán tính số hiệu chỉnh khoảng cách theo thời gian (dựa trên đạo hàm bậc nhất của khoảng cách theo thời gian); xây dựng mô hình xác định ma trận trọng số trị đo theo phương pháp ước lượng phương sai của Ủy ban Kỹ thuật Vô tuyến Vũ trụ (RTCA) so sánh với mô hình trọng số theo hàm sin góc cao vệ tinh; thiết lập thuật toán lọc Kalman cho bài toán SPP (định nghĩa véc tơ trạng thái, ma trận chuyển trạng thái, cập nhật hiệp phương sai và cập nhật đo); đề xuất giải pháp xử lý biến động tọa độ khi xảy ra hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu.
  • Thuật toán định vị tuyệt đối chính xác (PPP): Quy trình sử dụng kết hợp trị đo pha và mã không tầng điện ly kết hợp các sản phẩm chính xác của IGS (SP3, CLK, ERP, BLQ).
  • Thuật toán định vị tương đối: Thiết lập mô hình hiệu đơn, hiệu kép (Double Difference - DD) và hiệu ba (Triple Difference); thuật toán định vị tương đối tĩnh xử lý sau giải hệ phương trình chuẩn bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất; thuật toán định vị tương đối động sử dụng bộ lọc Kalman; phương pháp ước lượng thành phần phương sai - hiệp phương sai (LS-VCE); xây dựng thuật toán và hệ thống công thức quy chuyển véc tơ cạnh từ các tâm pha ăng ten máy thu về các tâm mốc trắc địa thực địa mặt đất.
  • Thuật toán giải số nguyên đa trị: Quy trình khử tương quan ma trận phương sai số nguyên bằng phép biến đổi ma trận $Z$ trong phương pháp LAMBDA/MLAMBDA, các kỹ thuật tìm kiếm số nguyên (làm tròn IR, bootstrapping IB, bình phương nhỏ nhất ILS trong không gian ellip tìm kiếm) và tiêu chuẩn kiểm định tỉ số phương sai Ratio.

Chương 4: Xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS và tính toán thực nghiệm

Chương 4 trình bày việc hiện thực hóa các thuật toán đã đề xuất thành chương trình máy tính bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic .NET (VB.net), có giao diện đồ họa tiếng Việt, cho phép nhập dữ liệu chuẩn RINEX, cài đặt các tham số mô hình Klobuchar, cấu hình bộ lọc Kalman, tùy chọn mô hình trọng số RTCA và thiết lập tham số xử lý cạnh.

Nội dung thực nghiệm được triển khai theo hai phần lớn:

  1. Thực nghiệm định vị tuyệt đối: Sử dụng tập dữ liệu đo thực tế tại trạm Đan Phượng (DANP - Việt Nam) và các trạm quốc tế (KUNM, PIMO). Tác giả thiết kế 6 phương án tính toán để kiểm chứng:

    • Phương án 1: Tính toán SPP thông thường, trọng số theo góc cao vệ tinh, không áp dụng lọc Kalman.
    • Phương án 2 và 2_1: Áp dụng thuật toán tính số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian, khảo sát có và không có lọc Kalman.
    • Phương án 3: Áp dụng ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn RTCA để xác định trọng số trị đo.
    • Phương án 4 và 4_1: Kết hợp số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian và trọng số RTCA.
    • Phương án 5 và 5_1: Tích hợp đầy đủ số cải chính khoảng cách theo thời gian, trọng số RTCA, bộ lọc Kalman và thuật toán xử lý hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu (đồ thị và thống kê sai số tại Bảng 4.5 đến 4.10, Hình 4.9a đến 4.16c).
    • Phương án 6: Khảo sát định vị tuyệt đối kết hợp trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã (Phụ lục D, Hình 4.17a đến 4.17c). Kết quả thực nghiệm khẳng định phương án kết hợp trọng số RTCA, lọc Kalman và xử lý nhảy đồng hồ đạt độ ổn định cao, độ chính xác vị trí cải thiện rõ rệt, tương đương độ chính xác của phương pháp định vị vi phân (DGPS).

  2. Thực nghiệm định vị tương đối (giải cạnh): Xử lý tập số liệu các véc tơ cạnh đo thực nghiệm (Bảng 4.4, 4.11, 4.12, 4.13), áp dụng thuật toán quy chuyển chiều dài cạnh từ tâm pha ăng ten về tâm mốc trắc địa. Thực hiện so sánh đối chuẩn kết quả tính toán giữa chương trình tự lập trình với các phần mềm thương mại và phần mềm khoa học:

    • So sánh với kết quả phần mềm Trimble Business Center (TBC) (Bảng 4.14, 4.18).
    • So sánh với kết quả phần mềm Hi-Target Geomatics Office (HGO) ở hai dạng lời giải: lời giải hiệu ba (triple) và lời giải cố định (fixed) (Bảng 4.15, 4.16, 4.17).
    • So sánh với kết quả xử lý của phần mềm chuyên dụng Bernese 5.2 (Phụ lục A). Kết quả kiểm tra chênh lệch véc tơ cạnh và độ dài cạnh giữa phần mềm tự xây dựng và các phần mềm quốc tế chỉ dao động ở mức vài milimet đến dưới 1 centimet, chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy của thuật toán được cài đặt.

Kết quả và những đóng góp mới

Các luận điểm bảo vệ được luận án chứng minh đầy đủ:

  • Luận điểm 1: Xử lý số liệu GNSS được thực hiện trong hệ không - thời gian 4 chiều với các trị đo và sai số biến đổi liên tục; phương pháp đồng bộ hóa thời gian bằng cách tính số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian (dựa trên đạo hàm bậc nhất của khoảng cách) đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về đồng bộ hóa thời gian trong xử lý số liệu GNSS.
  • Luận điểm 2: Phương pháp xác định ma trận trọng số trị đo bằng cách ước lượng phương sai của các nguồn sai số theo tiêu chuẩn của Ủy ban Kỹ thuật Vô tuyến Vũ trụ (RTCA) mang lại hiệu quả nâng cao độ chính xác định vị cao hơn phương pháp tính trọng số thuần túy theo hàm sin góc cao vệ tinh.
  • Luận điểm 3: Chương trình xử lý số liệu GNSS tự xây dựng cho phép xử lý sau bài toán định vị tuyệt đối đạt độ chính xác tương đương phương pháp định vị vi phân (DGPS), có khả năng ứng dụng hiệu quả phục vụ công tác định vị trên biển.

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn của luận án:

  1. Đề xuất công thức và thuật toán đồng bộ thời gian dựa trên đạo hàm bậc nhất của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu theo thời gian.
  2. Thiết lập hệ thống công thức toán học hoàn chỉnh phục vụ quy chuyển chính xác véc tơ chiều dài cạnh từ các tâm pha ăng ten máy thu về các tâm mốc trắc địa trên mặt đất.
  3. Ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phương sai của các nguồn sai số đối với trị đo theo tiêu chuẩn RTCA kết hợp bộ lọc Kalman trong bài toán định vị tuyệt đối GNSS.
  4. Đề xuất và chứng minh thực nghiệm thuật toán xử lý hiện tượng nhảy sai số đồng hồ máy thu trong bài toán định vị tuyệt đối.
  5. Xây dựng hoàn chỉnh chương trình phần mềm xử lý dữ liệu GNSS độc lập bằng ngôn ngữ VB.net, giao diện tiếng Việt, đọc trực tiếp dữ liệu chuẩn quốc tế RINEX, góp phần từng bước tự chủ công nghệ phần mềm xử lý dữ liệu vệ tinh tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Luận án tập trung chủ yếu vào nghiên cứu thuật toán và thực nghiệm cho dữ liệu GPS một tần số (L1); chưa mở rộng đầy đủ cho dữ liệu GPS đa tần số (L1/L2/L5).
  • Thuật toán giải cạnh và định vị tương đối mới xử lý cho hệ thống định vị GPS, chưa tích hợp thuật toán xử lý đồng thời đa hệ thống vệ tinh (GPS kết hợp GLONASS, Galileo, BeiDou) trong cùng một hệ phương trình chuẩn.
  • Chưa phát triển hoàn chỉnh mô đun định vị điểm đơn chính xác (PPP) thời gian thực và mô đun xử lý tự động mạng lưới các trạm tham chiếu hoạt động liên tục (CORS).

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng thuật toán và nâng cấp chương trình phần mềm để xử lý dữ liệu GNSS đa tần số và đa hệ thống vệ tinh tích hợp (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS).
  • Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện thuật toán định vị tương đối động thời gian thực (RTK) và định vị PPP thời gian thực.
  • Nghiên cứu xây dựng mô đun tự động xử lý chuỗi dữ liệu trạm CORS nhằm ứng dụng trong quan trắc biến dạng vỏ Trái Đất (địa động lực) và ước lượng các tham số khí quyển như tổng lượng hơi nước tích tụ (PWV), tổng lượng điện tử tầng điện ly (TEC) tại Việt Nam.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật trắc địa - bản đồ, Địa tin học: Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị về mặt thuật toán toán học, cung cấp quy trình chi tiết từng bước để lập trình xử lý các trị đo GNSS từ tệp RINEX, giải bài toán định vị tuyệt đối và tương đối.
  • Đối với giảng viên và các cơ sở đào tạo đại học, sau đại học: Cung cấp tài liệu giảng dạy chuyên sâu và bộ công cụ phần mềm mở có giao diện tiếng Việt để minh họa bản chất thuật toán, khắc phục tình trạng sử dụng các phần mềm thương mại dạng "hộp đen" trong đào tạo.
  • Đối với kỹ sư và các cơ quan, doanh nghiệp sản xuất trắc địa - bản đồ, định vị hàng hải: Cung cấp giải pháp phần mềm độc lập xử lý dữ liệu định vị tuyệt đối sau đo đạt độ chính xác tương đương DGPS phục vụ khảo sát trên biển, đồng thời cung cấp phương pháp luận kiểm tra, quy chuyển tâm mốc và bình sai cạnh đo chuẩn xác.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án đặt trọng tâm vào việc xây dựng phần mềm xử lý dữ liệu từ định dạng RINEX?
Định dạng RINEX là chuẩn dữ liệu quốc tế độc lập với phần cứng của mọi hãng sản xuất máy thu. Đối với các đơn vị không tự chế tạo máy thu GNSS như các trường đại học hay doanh nghiệp tại Việt Nam, tiếp cận từ định dạng RINEX là hướng đi tối ưu để xây dựng phần mềm xử lý dữ liệu độc lập, tránh sự phụ thuộc vào các định dạng nhị phân đóng kín của các hãng sản xuất và làm chủ toàn bộ chu trình xử lý toán học.

2. Sự khác biệt giữa phương pháp tính trọng số theo tiêu chuẩn RTCA và phương pháp tính trọng số theo hàm sin góc cao vệ tinh trong luận án là gì?
Phương pháp tính trọng số theo hàm sin góc cao vệ tinh chỉ ước lượng độ chính xác dựa thuần túy vào góc ngẩng hình học của vệ tinh mà bỏ qua các yếu tố sai số cụ thể. Ngược lại, phương pháp theo tiêu chuẩn RTCA xác định trọng số bằng cách ước lượng phương sai tổng hợp từ từng nguồn sai số thực tế tác động lên trị đo (bao gồm sai số đồng hồ, quỹ đạo, tầng điện ly, tầng đối lưu và sai số máy thu), giúp ma trận trọng số phản ánh chính xác hơn chất lượng vật lý của từng trị đo.

3. Hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu xảy ra như thế nào và ảnh hưởng ra sao đến định vị tuyệt đối?
Hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu xảy ra khi sai số đồng hồ tích lũy đạt tới một ngưỡng nhất định (ví dụ 0,0005 giây ở máy thu Topcon GB-1000), phần mềm nội tại của máy thu sẽ tự động đảo ngược dấu của sai số đồng hồ. Nếu thuật toán định vị không nhận diện và bù trừ kịp thời bước nhảy này, chu trình lọc Kalman sẽ bị gián đoạn, gây ra sai lệch đột biến trong kết quả xác định tọa độ tức thời.

4. Kết quả giải cạnh của chương trình do tác giả tự xây dựng có độ chính xác tương thích như thế nào so với các phần mềm quốc tế?
Kết quả tính toán thực nghiệm trên các cạnh đo thực tế cho thấy kết quả giải cạnh của chương trình viết bằng VB.net có độ tương thích cao với các phần mềm thương mại Trimble Business Center (TBC), Hi-Target Geomatics Office (HGO ở cả hai lời giải triple và fixed) và phần mềm khoa học Bernese 5.2, với độ chênh lệch chiều dài cạnh chỉ ở mức vài milimet đến dưới 1 centimet.

5. Thuật toán quy chuyển cạnh từ tâm pha ăng ten về tâm mốc trắc địa giải quyết vấn đề gì trong thực tiễn?
Trị đo vệ tinh thực chất phản ánh khoảng cách giữa tâm phát sóng của vệ tinh và tâm pha điện tử của ăng ten máy thu. Để phục vụ công tác trắc địa mặt đất, véc tơ cạnh tính toán phải được quy chuyển chính xác từ tâm pha ăng ten về mốc dấu cố định trên mặt đất thông qua việc hiệu chỉnh chiều cao ăng ten, độ lệch tâm pha trung bình (PCO) và biến thiên tâm pha (PCV). Thuật toán của luận án đã chuẩn hóa các công thức quy chuyển này vào quy trình xử lý cạnh tự động.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Gia Trọng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu thông qua việc hệ thống hóa tường minh các thuật toán xử lý dữ liệu GNSS một tần số từ định dạng chuẩn RINEX. Tác giả đã đề xuất thành công các giải pháp toán học quan trọng gồm: đồng bộ thời gian dựa trên đạo hàm bậc nhất của khoảng cách, mô hình trọng số theo tiêu chuẩn RTCA kết hợp bộ lọc Kalman, thuật toán xử lý hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu và công thức quy chuyển cạnh về tâm mốc trắc địa. Chương trình phần mềm xây dựng bằng ngôn ngữ VB.net đã được kiểm chứng thực nghiệm đạt độ tin cậy và độ chính xác tương đương các phần mềm chuyên dụng quốc tế, khẳng định giá trị khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu, đào tạo và sản xuất trắc địa tại Việt Nam.