Chương 1: Tổng quan về thuật toán và phần mềm xử lý số liệu GNSS Chương 2: Trị đo GNSS và vấn đề hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo Chương 3: Thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối Chương 4: Xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS và tính toán thực nghiệm (3) Phần kết luận và kiến nghị. Cơ sở tài liệu - Số liệu sử dụng trong tính toán thực nghiệm là các số liệu đo tại Việt Nam và trên thế giới đã được chuyển đổi về định dạng RINEX, các dữ liệu phụ trợ được lấy về từ internet. - Nghiên cứu sinh đã tham khảo tài liệu từ các đề tài mà mình trực tiếp tham gia và các báo cáo tổng kết đề tài, nhiều bài báo, công trình trong và ngoài nước liên quan đến nghiên cứu thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS. Lời cảm ơn Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Nam Chinh, các thầy cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tận tình giúp đỡ, góp ý và tạo những điều kiện tốt nhất để nghiên cứu sinh có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình.
Trân trọng cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa, các thầy cô giáo trong Khoa, các nhà khoa học trong và ngoài trường đã quan tâm, đóng góp ý kiến để nghiên cứu sinh hoàn thiện tốt hơn bản luận án của mình. Đặc biệt gửi lời cảm ơn tới tất cả các thành viên trong gia đình đã dành những điều kiện tốt nhất về tinh thần và vật chất để tôi có thể hoàn thành tốt nhất khóa học của mình. TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS 1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài 1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán Công nghệ GPS nói riêng và công nghệ GNSS nói chung đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Để có các kết quả như vậy, đã có rất nhiều các nghiên cứu sâu, rộng về chế tạo vệ tinh, chế tạo máy thu, thuật toán giải các bài toán cũng như xây dựng các phần mềm xử lý số liệu GNSS.
Từ các kết quả nghiên cứu đó, ứng dụng của GNSS hiện nay đã hình thành các quy trình khép kín từ phần cứng đến phần mềm. Cũng từ các nghiên cứu đó, rất nhiều các công trình nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS đã được công bố. Trước hết có thể kể đến các công bố về thuật toán được công bố trong các sách giáo khoa về GNSS như Hofmann-Wellenhof [59], Teunissen [61], Alfred Leick [63], Montenbruck [76] … Các công trình nêu trên tổng hợp kết quả nghiên cứu của rất nhiều các tác giả khác nhau nhằm cung cấp đến người đọc từ các kiến thức cơ bản nhất về công nghệ GNSS đến công thức giải các bài toán định vị. Tuy nhiên, trong các tài liệu đó, hầu hết không đề cập tới thuật toán phục vụ cho lập trình máy tính và trình tự tính toán tường minh.
Để có thể giải các bài toán định vị, các tác giả giới thiệu từ hệ thống các công thức tính tọa độ vệ tinh theo thời gian; các loại trị đo, ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo cũng như biện pháp khắc phục; giới thiệu các bài toán định vị và phương pháp giải các bài toán định vị. Phương pháp giải các bài toán định vị cơ bản được giới thiệu đó là bài toán định vị tuyệt đối và bài toán định vị tương đối. Theo mức độ chính xác, bài toán định vị tuyệt đối được chia thành hai bài toán là bài toán định vị tuyệt đối thông thường và bài toán định vị tuyệt đối chính xác. Bài toán định vị tuyệt đối thông thường hay còn gọi là bài toán dẫn đường sử dụng các yếu tố đầu vào là lịch vệ tinh quảng bá và trị đo khoảng cách giả theo mã.
Khác với bài toán SPP, bài toán PPP sử dụng lịch vệ tinh chính xác, sử 8 dụng đồng thời trị đo khoảng cách giả theo mã và trị đo pha sóng tải, các sản phẩm cung cấp bởi IGS và một số tổ chức khoa học khác, có tính đến số hiệu chỉnh do ảnh hưởng của thủy triều, địa triều và sự di chuyển của cực Trái Đất như đã trình bày bởi Martin.P [67] … Phép lọc Kalman được sử dụng trong giải bài toán định vị tuyệt đối, tùy thuộc vào phương pháp định vị tĩnh hay động mà các yếu tố như ma trận trạng thái, ma trận trọng số tiên nghiệm trong chu trình Kalman sẽ khác nhau. Định vị tương đối được chia thành định vị tương đối tĩnh và định vị tương đối động. Do đặc điểm của bài toán tương đối tĩnh là có nhiều trị đo, xử lý sau cho nên phương pháp số bình phương nhỏ nhất thường được dùng để giải bài toán này. Trong giải bài toán định vị tương đối tĩnh, một vấn đề rất quan trọng phải được thực hiện đó là ước lượng phương sai cho các trị đo.
Tùy thuộc vào phần mềm xử lý số liệu mà trị đo được sử dụng có thể chỉ là các trị đo pha sóng tải [89] hoặc sử dụng đồng thời trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã [93], [94]. Bài toán định vị tương đối động, do đặc thù có ít trị đo (chỉ có 1 tập hợp không nhiều trị đo nếu là phương pháp RTK), để giải được bài toán này cần phải sử dụng cả trị đo khoảng cách giả theo mã, trị đo pha sóng tải và giải nghiệm sử dụng phép lọc Kalman [96]. Ngoài các bài toán định vị truyền thống, các bài toán khác cũng đã được trình bày như bài toán định vị với trạm CORS [47], xác định các yếu tố đặc trưng cho tầng khí quyển như PWV, TEC [76]; xử lý kết hợp số liệu GNSS/INS, kết hợp số liệu GNSS với đo cao vệ tinh [76] … Bên cạnh các tài liệu cung cấp tổng hợp kiến thức về GNSS, có các tài liệu cung cấp kiến thức về một nội dung chuyên biệt như [78] chỉ bàn về vấn đề giải số nguyên đa trị.S trong [78] đã thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị như trong bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị Tên phương pháp Viết tắt Tác giả, năm công bố Kỹ thuật giải số nguyên đa trị theo LSAST Hatch (1990) phương pháp số bình phương nhỏ nhất 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 LAMBDA Teunissen (1993) theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất Phương pháp rỗng Martin-Neira và những người khác (1995); Fernandez-Plazaola và những người khác (2004) Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng FASF Chen và Lachapelle phép lọc (1995) Giải nhanh số nguyên đa trị sử dụng 3 TCAR Harris (1997) loại sóng tải Tích hợp TCAR Vollath và những người khác (1998) Phương pháp tối ưu giải số nguyên đa trị OMEGA Kim và Langley (1999) Phương pháp giải số nguyên đa trị theo CIR Jung và những người khác dòng (2000) Vì tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có trước đó nên nội dung trình bày trong các cuốn sách thường là muộn hơn so với thời điểm công bố các thuật toán cụ thể (đơn lẻ). Thông thường, khi có các thuật toán mới được đề xuất, vấn đề đó sẽ được công bố trên các tạp chí hoặc các hội nghị khoa học lớn về chuyên ngành.
Thuật toán giải các bài toán định vị tuy được công bố rộng rãi trên rất nhiều các công trình khác nhau nhưng thông tin chỉ mang tính tổng quát và không phải lúc nào cũng có thể làm theo được. Thông thường, các thuật toán sau khi được nghiên cứu sẽ được chuyển giao để chuyển thành các sản phẩm thương mại hóa, có bản quyền. Tính cho đến thời điểm hiện tại, định vị tương đối đã cho độ chính xác rất cao nên ở nước ngoài các nghiên cứu về xử lý số liệu GNSS tập trung vào nâng cao 10 độ chính xác định vị PPP tức thời, định vị GNSS - indoor, GNSS-R và thuật toán xử lý số liệu GNSS trên các thiết bị thông minh … [76].2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm Dựa trên các thuật toán đã được xây dựng, rất nhiều các phần mềm xử lý số liệu GNSS đã được xây dựng và được chia thành các nhóm như sau: a. Nhóm các phần mềm thông dụng Mỗi hãng khi chế tạo máy thu đều xây dựng cho mình phần mềm xử lý số liệu đo đạc.
Có thể kể đến một số phần mềm trong nhóm này như sau: - Hãng Trimble (Mỹ): GPSurvey, TGO (Trimble Geomatic Office), TTC (Trimble Total Control), TBC (Trimble Business Center). - Hãng Topcon (Nhật Bản): Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tool. - Hãng Leica (Thụy Sỹ): Leica GNSS Spider. - GMC manufacture (Trung Quốc): Hi-Target ….
Đặc trưng của nhóm phần mềm này là dùng để xử lý cạnh ngắn và trung bình với yêu cầu độ chính xác ở mức thông thường. Sau đây là hình ảnh về giao diện của một số phần mềm thuộc nhóm phần mềm này.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center 11 Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office Khi xử lý số liệu GNSS bằng nhóm phần mềm này đều có một quy trình chung như sau: - Tạo dự án (project) mới. - Khai báo hệ tọa độ và chọn phép chiếu. - Lựa chọn mô hình geoid.
- Nhập số liệu. - Bình sai lưới. - Xuất báo cáo kết quả. Đa phần các phần mềm thuộc nhóm này cho phép bình sai độc lập hoặc bình sai hỗn hợp số liệu đo mặt đất với số liệu đo GNSS.
Một số phần mềm (ví dụ như phần mềm TBC) cung cấp thêm chức năng xử lý dữ liệu đo bằng thiết bị bay không người lái, kết nối với các phần mềm GIS [89] … b. Nhóm các phần mềm xử lý số liệu độ chính xác cao (chuyên dụng) Bên cạnh nhóm phần mềm thông dụng do các hãng chế tạo máy thu xây dựng còn có các phần mềm do các trường đại học hoặc các trung tâm nghiên cứu khoa học xây dựng nên. Các phần mềm điển hình thuộc nhóm này có thể kể đến như: - Bernese: Được phát triển bởi Viện Thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ) [93]. - Gamit/Globk: Được xây dựng bởi Khoa Khí quyển Trái Đất và Khoa học hành tinh, Viện công nghệ Massachusetts (MIT- Massachusetts Institute of Technology) [94].
- GIPSY-OASIS: Được phát triển bởi Phòng thí nghiệm tên lửa đẩy (JPL) [95].