Tài liệu 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN GIA TRỌNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN GIA TRỌNG 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 Ngành : Kỹ thuật trắc địa - bản đồ Mã số : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG NAM CHINH HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án có được trên cơ sở tìm hiểu tài liệu, phân tích một cách trung thực, khách quan và áp dụng trong điều kiện thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Gia Trọng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... xii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS................................................................................................................7 1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài ...............................................................7 1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán ................................................................7 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm ..................................................10 1.2 Các kết quả nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................23 1.2.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS ..............................23 1.2.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm ..................................................25 1.3 Phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................29 CHƯƠNG 2. TRỊ ĐO GNSS VÀ VẤN ĐỀ HIỆU CHỈNH ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐỐI VỚI TRỊ ĐO ............................................................30 2.1 Trị đo GNSS.......................................................................................................30 2.1.1 Trị đo khoảng cách giả .....................................................................................30 2.1.2 Trị đo pha sóng tải............................................................................................32 2.1.3 Trị đo doppler ...................................................................................................34 2.2 Các nguồn sai số trong trị đo GNSS và biện pháp khắc phục ......................35 2.2.1 Các nguồn sai số liên quan đến vệ tinh ............................................................35 2.2.2 Các nguồn sai số liên quan đến máy thu ..........................................................38 2.2.3 Các nguồn sai số liên quan đến môi trường truyền tín hiệu.............................39 2.3 Dữ liệu đo chuyển về định dạng RINEX .........................................................44 2.3.1 Thông tin trong tệp thông tin trị đo ..................................................................45 2.3.2 Thông tin trong tệp thông tin đạo hàng ............................................................46 iii CHƯƠNG 3. THUẬT TOÁN GIẢI BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI VÀ ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI ..........................................................................................51 3.1 Bài toán định vị tuyệt đối..................................................................................51 3.1.1 Bài toán định vị tuyệt đối thông thường (tiêu chuẩn) ......................................51 3.1.2 Tính số hiệu chỉnh khoảng cách theo thời gian................................................58 3.1.3 Tính trọng số ....................................................................................................61 3.1.4 Phép lọc Kalman và ứng dụng của phép lọc Kalman trong giải bài toán SPP 63 3.1.3 Bài toán định vị tuyệt đối chính xác ................................................................66 3.2 Bài toán định vị tương đối ................................................................................72 3.2.1 Hiệu của các trị đo............................................................................................72 3.2.2 Thuật toán định vị tương đối tĩnh.....................................................................75 3.2.3 Vấn đề ước lượng phương sai ..........................................................................81 3.2.4 Quy chuyển cạnh từ các tâm ăng ten về các tâm mốc trắc địa ........................83 3.2.5 Thuật toán định vị tương đối động ...................................................................89 3.3 Giải số nguyên đa trị .........................................................................................92 3.3.1 Quy trình chung khi giải số nguyên đa trị ........................................................92 3.3.2 Vấn đề làm giảm tương quan giữa các hiệu số nguyên đa trị ..........................93 3.3.3 Các phương pháp tìm kiếm số nguyên đa trị ...................................................94 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS VÀ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM .............................................................................98 4.1 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình ......................................................................98 4.2 Thiết kế phần mềm............................................................................................99 4.2.1 Nguyên tắc chung khi thiết kế phần mềm ........................................................99 4.2.2 Giới thiệu về chương trình đã được xây dựng ...............................................100 4.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm và các phương án tính thực nghiệm .....107 4.3.1 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối .......................................107 4.3.2 Các phương án tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối ................................108 4.3.3 Giới thiệu về số liệu thực nghiệm định vị tương đối .....................................110 4.4 Kết quả tính toán thực nghiệm định vị tuyệt đối .........................................111 iv 4.4.1 Kết quả tính theo phương án 1 .......................................................................111 4.4.2 Kết quả tính theo phương án 2 .......................................................................113 4.4.3 Kết quả tính theo phương án 3 .......................................................................117 4.4.4 Kết quả tính theo phương án 4 .......................................................................119 4.4.5 Kết quả tính theo phương án 5 .......................................................................122 4.4.6 Kết quả tính theo phương án 6 .......................................................................126 4.5 Kết quả tính thực nghiệm định vị tương đối ................................................129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................133 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ....................................................135 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................139 Phụ lục A: Kết quả xử lý số liệu điểm Đan Phượng bằng phần mềm Bernese 5.0 ..... 149 Phụ lục B: Kết quả định vị tuyệt đối các điểm thực nghiệm theo các phương án khác nhau.................................................................................................................150 Phụ lục C: Kết quả định vị tuyệt đối điểm DANP trong trường hợp có và không xét đến hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu ....................................................................165 Phụ lục D: Tọa độ tuyệt đối của các điểm xác định được khi sử dụng kết hợp trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã ......................................................167 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Giao diện chính của phần mềm Trimble Business Center .........................10 Hình 1.2 Giao diện chính của phần mềm Trimble Total Control .............................11 Hình 1.3 Giao diện chính của chương trình Hi-Target Geomatics Office ................11 Hình 1.4 Giao diện khi nhập số liệu xử lý bằng OPUS ............................................22 Hình 2.1 Đồ thị minh họa hiện tượng nhảy đồng hồ máy thu GB-1000 ..................32 Hình 2.2 Quy trình chuyển từ dữ liệu thô sang định dạng dữ liệu RINEX ..............44 Hình 3.1 Các yếu tố trên mặt cầu phụ trợ .................................................................59 Hình 3.2 Mối quan hệ giữa các yếu tố trong đo cao ăng ten máy thu ......................83 Hình 3.3 Chiều cao ăng ten máy thu tại hai điểm M1 và M2 ....................................87 Hình 4.2 Giao diện của chức năng nhập dữ liệu .....................................................102 Hình 4.3 Cửa sổ nhập dữ liệu..................................................................................102 Hình 4.4 Lựa chọn phương pháp định vị tuyệt đối .................................................103 Hình 4.5 Giao diện cài đặt thông tin cho giải bài toán SPP ....................................104 Hình 4.6 Giao diện cài đặt thông tin cho bài toán PPP ...........................................104 Hình 4.7 Nhập các hệ số alpha, beta cho mô hình Klobuchar ................................106 Hình 4.8 Nhập các tham số trong xử lý cạnh ..........................................................106 Hình 4.9a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 1 .......112 Hình 4.9b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 1 ......112 Hình 4.9c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 1 ........113 Hình 4.10a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2 .....114 Hình 4.10b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2 ....114 Hình 4.10c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2 ......115 Hình 4.11a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 2_1 .115 Hình 4.11b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 2_1 116 Hình 4.11c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 2_1 ..116 Hình 4.12a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 3 .....117 Hình 4.12b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 3 ....118 vi Hình 4.12c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 3 ......118 Hình 4.13a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4 .....119 Hình 4.13b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4 ....119 Hình 4.13c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4 ......120 Hình 4.14a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 4_1 .120 Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 4_1 121 Hình 4.14b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 4_1 ..121 Hình 4.15a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5 .....122 Hình 4.15b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5 ....123 Hình 4.15c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5 ......123 Hình 4.16a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 5_1 .124 Hình 4.16b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 5_1 ......125 Hình 4.16c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 5_1 ..125 Hình 4.17a Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm DANP tính theo phương án 6 .....127 Hình 4.17b Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm KUNM tính theo phương án 6 ....128 Hình 4.17c Đồ thị biểu diễn độ lệch vị trí điểm PIMO tính theo phương án 6 ......128 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh đầy đủ Từ viết tắt ADOP Ambiguity Dilution Dịch sang tiếng Việt Of Độ suy giảm độ chính xác số nguyên lần bước sóng Precesion ANTEX the ANTenna EXchange format Định dạng chuyển đổi ăng ten ASCII American Standard Code for Chuẩn mã trao đổi thông tin của Information Interchange Hoa Kỳ BINEX BINary Exchange Phương thức chuyển đổi nhị phân BIQUE Best Quadratic Ước lượng bình phương không Invariant Unbiased Estimate chệch tốt nhất Tệp chứa các hệ số triều dùng để BLQ tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của tải trọng đại dương BLUE Best Linear Unbiased Estimate Ước lượng tuyến tính không chệch tốt nhất CDDIS Crustal Dynamics Information System CHAMP Challenging Data Hệ thống thông tin dữ liệu địa động lực vỏ trái đất Minisatellite Vệ tinh CHAMP (của châu Âu) Payload CODE Center for Orbit Determination Trung tâm tính toán quỹ đạo vệ in Europe CORS DCB tinh châu Âu Continuously Operating Trạm tham chiếu thu tín hiệu liên Reference Station tục Difference Code-Bias Hiệu độ lệch giữa các trị đo khoảng cách giả theo mã DGPS Differential Global Positioning Phương pháp định vị vi phân System GGSP Galileo Provider Geodetic Service Trung tâm cung cấp dịch vụ trắc địa Galileo viii GIS Information Hệ thống thông tin địa lý Geographic System GLONASS GLObal NAvigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn System GPS Global cầu (của Nga) Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu (của (NAVSTAR GPS) GPT Global Mỹ) Pressure and Mô hình áp suất và khí quyển Temperature GNSS Global toàn cầu Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn Navigation System cầu GNSS-R GNSS-Reflectometry Phương pháp đo GNSS phản xạ GRACE The Gravity Recovery and Vệ tinh GRACE của Châu Âu Climate Experiment IB Phương pháp làm tròn số nguyên Integer Boot-strapping đa trị có điều kiện IERS International Earth Rotation Tổ chức dịch vụ quốc tế về and Reference Systems Service chuyển động quay trái đất và hệ quy chiếu IGS International GNSS Service Tổ chức dịch vụ GNSS quốc tế ILS Integer Least-Squares Phương pháp bình phương số nguyên nhỏ nhất Hệ thống dẫn đường quán tính INS Inertial Navigation System IONEX IONosphere Map EXchange Định dạng bản đồ tầng điện ly format IR Integer Rounding Phương pháp làm tròn cho số nguyên đa trị IRNSS Indian Regional Satellite System Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu vực của Ấn Độ ix JPL Jet Propulsion Laboratory Phòng nghiên cứu phản lực của NASA LAMBDA AMBiguity Phương pháp tìm kiếm số nguyên Least-squares đa trị LAMBDA Decorrelation Adjustment LS-VCE Least-Squares Variance Co- Ước lượng các thành phần của ma trận hiệp phương sai theo nguyên variance Estimation lý số bình phương nhỏ nhất MINQUE MInimum Quadratic Ước lượng chuẩn bình phương Norm Unbiased Estimate NMEA National không chệch nhỏ nhất Electronics Hiệp hội điện tử hàng hải quốc Marine Association NTRIP gia Network Transport of RTCM Mạng via Internet Protocol OPUS Online Positioning lưới vận chuyển của RTCM qua giao thức internet User Dịch vụ xử lý số liệu trực tuyến Service của Mỹ PCF Process Control File Tệp điều khiển quy trình PCO Phase Center Offset Độ lệch giữa tâm pha trung bình với điểm tham chiếu đo cao ăng ten PCV Phase Center Variation Biến thiên tâm pha ăng ten PPK Post Processing Kinematic Phương pháp đo động xử lý sau PPP Precise Point Positioning Định vị tuyệt đối chính xác PWV Precipitable Water Vapour Tổng lượng hơi nước tích tụ QIF Quasi Ionosphere Free strategy Giải pháp gần loại trừ ảnh hưởng của tầng điện ly QZSS Quasi-Zenith Satellite System Hệ thống vệ tinh tựa thiên đỉnh (Nhật Bản) RINEX Receiver Exchange format INdependent Định dạng dữ liệu độc lập với máy thu x RMS Root Mean Square error Sai số trung phương trọng số đơn vị RTCA Radio Technical Commission Ủy ban kỹ thuật vô tuyến vũ trụ for Aeronautics RTCM RTK Radio Technical Commission Ủy ban kỹ thuật vô tuyến cho for Maritime Services dịch vụ hàng hải Real-Time Kinematic Phương pháp đo tương đối động tức thời SA Selective Availability SBAS Satellite-based Sử dụng có lựa chọn Augmentation Hệ thống tăng cường vệ tinh Systems SINEX Solution INdependent Định dạng lời giải độc lập EXchange format SPP Standard Point Positioning Định vị thông thường (tiêu chuẩn) STEC Slan Total Electron Content Ảnh hưởng của tầng điện ly theo phương truyền sóng tín hiệu SVD Singular Value Decomposition Phương pháp phân tách ma trận SVD TBC Trimble Business Center Phần mềm xử lý số liệu GNSS TBC TEC Total Electron Content Tổng lượng điện tử theo phương truyền sóng tín hiệu Phần mềm thống nhất xử lý sơ bộ TEQC số liệu định vị vệ tinh đa hệ TGO Trimble Geomatic Office Phần mềm TGO (của hãng Trimble) TRANSIT Hệ thống vệ tinh dẫn đường của hải quân Mỹ xi TTC Trimble Total Control Phần mềm xử lý số liệu GNSS TTC UAV Unmanned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái VMF Vienna Mapping Function Hàm ánh xạ Vienna VRS Virtual Reference Station Trạm tham chiếu ảo VTEC Vertical Total Electron Content Tổng lượng điện tử theo phương thiên đỉnh xii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị ........................................9 Bảng 2.1 Độ chính xác xác định tọa độ vệ tinh theo thời gian .................................37 Bảng 2.2 Kí hiệu các thành phần thông tin quỹ đạo của một vệ tinh .......................47 Bảng 2.3 Cấu trúc thông tin 4 dòng miêu tả quỹ đạo vệ tinh Glonass trong 1 thời điểm ...........................................................................................................................49 Bảng 3.1 Trọng số tiên nghiệm khi giải bài toán định vị tuyệt đối...........................66 Bảng 4.1 Thông tin về số liệu thực nghiệm định vị tuyệt đối .................................107 Bảng 4.2 Tọa độ các điểm xác định được trong ITRF ............................................108 Bảng 4.3 Giá trị phương sai tiên nghiệm của các ẩn số khi giải bài toán sử dụng phép lọc Kalman .....................................................................................................110 Bảng 4.4 Thông tin về các cạnh đo .........................................................................110 Bảng 4.5 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 1 ..............111 Bảng 4.6 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 2 ..............113 Bảng 4.7 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 3 ..............117 Bảng 4.8 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 4 ..............119 Bảng 4.9 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 5 ..............122 Bảng 4.10 Phần trăm giá trị độ lệch vị trí của các điểm theo phương án 6 ............127 Bảng 4.11 Kết quả tính cạnh giữa các tâm pha ăng ten ..........................................129 Bảng 4.12 Kết quả tính số hiệu chỉnh do độ cao ăng ten ........................................129 Bảng 4.13 Kết quả tính cạnh giữa các tâm mốc......................................................129 Bảng 4.14 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm TBC ................................................130 Bảng 4.15 Kết quả giải cạnh bằng phần mềm HGO ...............................................130 Bảng 4.16 So sánh kết quả giải cạnh giữa phần mềm tự lập với kết quả tính bằng phần mềm HGO lời giải dạng triple ........................................................................130 Bảng 4.17 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với kết quả tính bằng phần mềm HGO lời giải dạng fixed ........................................................................131 Bảng 4.18 So sánh kết quả giải cạnh bằng phần mềm tự lập với phần mềm TBC .131 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, vấn đề nghiên cứu về công nghệ định vị vệ tinh nói chung; nghiên cứu về thuật toán và xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS nói riêng đã và đang diễn ra sâu, rộng để tạo dựng thành chu trình khép kín từ phần cứng tới phần mềm cho các ứng dụng của công nghệ GNSS. Trong định vị vệ tinh có hai bài toán cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối. Theo mức độ chính xác, định vị tuyệt đối chia làm hai bài toán là bài toán SPP và bài toán PPP. Trong định vị tương đối, tùy thuộc trạng thái của máy thu và thời gian xử lý chia thành các phương pháp định vị tương đối tĩnh, tương đối động xử lý sau và tương đối động tức thời. Việc sử dụng trị đo pha sóng tải để giải các bài toán định vị giúp nâng cao độ chính xác giải bài toán nhưng đồng thời cũng phát sinh bài toán giải (xác định) số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng) trong trị đo pha sóng tải. Sự phát triển của công nghệ chế tạo máy thu GNSS và mạng thông tin internet cho ra đời mạng lưới các trạm thu tín hiệu liên tục và phương thức xử lý dữ liệu trực tuyến. Bên cạnh sự phát triển các bài toán và phương pháp định vị, vấn đề nghiên cứu ứng dụng tín hiệu GNSS trong nghiên cứu địa động, nghiên cứu khí quyển cũng diễn ra rất mạnh mẽ. Trong sự phát triển đó, không thể không nhắc đến vai trò của các trường đại học với các nghiên cứu về thuật toán cũng như xây dựng phần mềm mà trong đó phải nhắc tới là Viện thiên văn thuộc Đại học Bern (Thụy Sỹ), đó là một điển hình về phát triển phần mềm xử lý số liệu GNSS. Được đưa vào Việt Nam từ những năm 1990, công nghệ GNSS cũng đã chứng tỏ được ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác khi sử dụng trong các đơn vị sản xuất trắc địa - bản đồ. Về nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS cũng như nghiên cứu thuật toán xử lý số liệu GNSS, đã có các công trình được công bố bởi một số nhà khoa học như PGS.TS Đặng Nam Chinh, PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu … cung cấp kiến thức tổng quát về công nghệ GNSS. Đã có các công bố về nghiên cứu xây dựng phần mềm như PGS.TSKH Hà Minh Hòa, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâu công bố gói phần mềm GUST dùng để xử lý cạnh 2 dài; TS Nguyễn Thị Thanh Hương và nhiều người khác đã công bố kết quả xây dựng phần mềm GNSS-PRO xử lý dữ liệu cạnh ngắn kết hợp tín hiệu GPS/GLONASS; Trung tâm NAVIS (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã xây dựng giải pháp định vị (cả phần cứng và phần mềm) độ chính xác cao dựa trên các trạm tham chiếu. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện tại việc ứng dụng công nghệ GNSS ở Việt Nam vẫn thuần túy dựa trên máy và phần mềm của nước ngoài. Với các ứng dụng GNSS rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhu cầu xây dựng phần mềm GNSS nhằm chủ động trong ứng dụng công nghệ này tại Việt Nam là nhu cầu cần thiết. Cùng với việc công bố kết quả xây dựng phần mềm, các tác giả đã công bố thuật toán xử lý số liệu GNSS tuy nhiên đa số các công bố mới chỉ ở dạng rời rạc, không thành quy trình tính cụ thể và chưa đầy đủ (thiếu các thuật toán về PPP, RTK ….). Tháng 9 năm 2011, khi mà đa số các đơn vị sản xuất trong lĩnh vực trắc địa bản đồ tại Việt Nam đang quen với việc sử dụng phần mềm GPSurvey 2.35, TGO thì hai phần mềm này hết thời gian sử dụng. Việc đột ngột dừng không hỗ trợ cho các phần mềm GPSurvey 2.35, TGO đã khiến nhiều đơn vị sản xuất chậm bàn giao thành quả do đo xong mà không xử lý được số liệu. Đây là một minh chứng rõ nét về việc cần chủ động trong khai thác, sử dụng công nghệ tại Việt Nam. Việc mua phần mềm của nước ngoài rất tốn kém về kinh tế (1 phiên bản phần mềm thông dụng có giá vài nghìn đô la Mỹ, 1 phiên bản phần mềm chuyên dụng như Bernese giá hơn 20 nghìn đô la Mỹ). Người Việt Nam vốn có năng khiếu về công nghệ thông tin nói chung và lập trình nói chung nhưng sau hơn 30 năm ứng dụng công nghệ GNSS tại Việt Nam vẫn dùng phần mềm của nước ngoài. Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, trường Đại học Mỏ - Địa chất là cơ sở đào tạo lớn về trắc địa - bản đồ của cả nước nhưng cho đến thời điểm hiện tại vẫn chỉ đơn thuần sử dụng phần mềm của nước ngoài trong giảng dạy định vị vệ tinh cho các bậc học. Để có thể nâng cao chất lượng đào tạo đáp ứng yêu cầu của xã hội nhất thiết phải xây dựng nhóm nghiên cứu mạnh về xử lý số liệu GNSS nói chung và xây dựng phần mềm xử lý số liệu GNSS nói riêng. 3 Để có thể xây dựng phần mềm xử lý số liệu nhằm chủ động trong ứng dụng công nghệ GNSS ở Việt Nam nhất thiết cần phải tiếp tục nghiên cứu về thuật toán xử lý số liệu GNSS. Đối với các đơn vị không sản xuất máy thu, nghiên cứu xử lý số liệu GNSS từ định dạng RINEX là hướng đi hợp lý giống như cách làm của các trường đại học trên thế giới (ví dụ như Đại học Bern - Thụy Sỹ). Xuất phát từ các yêu cầu nêu trên, việc lựa chọn đề tài “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” mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Làm rõ các thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối. - Xây dựng chương trình xử lý số liệu định vị vệ tinh từ định dạng RINEX. 3. Đối tượng nghiên cứu - Định dạng dữ liệu RINEX. - Phương pháp hiệu chỉnh ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS. - Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh. - Phương pháp xây dựng chương trình xử lý số liệu GNSS. 4. Phạm vi nghiên cứu - Thuật toán giải các bài toán định vị vệ tinh từ dữ liệu RINEX. - Mặc dù tên luận án có đề cập đến xử lý dữ liệu GNSS nhưng luận án này chủ yếu tập trung nghiên cứu các thuật toán xử lý dữ liệu GPS một tần số. Bài toán xử lý số liệu GNSS sử dụng trị đo một tần số là bài toán cơ bản, việc nắm rõ và tường minh quy trình tính bài toán này sẽ tạo điều kiện phát triển giải các bài toán nhiều tần số. 5. Nội dung nghiên cứu - Các trị đo trong công nghệ GNSS và định dạng dữ liệu. - Ảnh hưởng của các nguồn sai số đối với trị đo GNSS và biện pháp khắc phục. - Phương pháp xác định tọa độ vệ tinh từ lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh chính xác. 4 - Thuật toán tìm kiếm số nguyên đa trị. - Ứng dụng phép lọc Kalman trong xử lý số liệu định vị vệ tinh. - Quy trình giải bài toán định vị tuyệt đối và định vị tương đối xử lý sau. 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu, số liệu liên quan đến nội dung của luận án. - Phương pháp phân tích: Phân tích những gì các tác giả khác đã làm được, những gì cần tiếp tục thực hiện, ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý số liệu định vị vệ tinh … - Phương pháp tổng hợp: Dựa trên các tài liệu thu thập được tiến hành tổng hợp kiến thức để tìm được các nội dung kiến thức phù hợp nhất cho luận án. - Phương pháp mô hình hóa: Nghiên cứu xây dựng một số thuật toán trong xử lý số liệu định vị vệ tinh. - Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên các thuật toán đã lựa chọn, xây dựng chương trình tính thực nghiệm của luận án. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Đã xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu GNSS dạng RINEX phục vụ lập trình giải các bài toán định vị vệ tinh. - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được ứng dụng để xử lý dữ liệu GNSS dạng RINEX trong các nội dung định vị trên lãnh thổ Việt Nam. 8. Các luận điểm bảo vệ và các luận điểm mới của luận án a. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Xử lý số liệu GNSS được thực hiện trong hệ 4D (không gian - thời gian) với các trị đo và sai số liên tục biến đổi, vì thế vấn đề đồng bộ thời gian và tính toán các số cải chính thay đổi theo thời gian mang tính quyết định tới chất lượng của lời giải các bài toán định vị. Phương pháp đồng bộ hóa thời gian bằng cách tính số cải chính thay đổi khoảng cách theo thời gian đảm bảo yêu cầu về đồng bộ hóa thời gian trong xử lý số liệu GNSS. 5 Luận điểm 2: Phương pháp tính trọng số bằng cách ước lượng phương sai theo tiêu chuẩn của Ủy ban vô tuyến vũ trụ (RTCA) cho hiệu quả cao hơn phương pháp tính trọng số theo hàm của góc cao vệ tinh. Luận điểm 3: Chương trình xử lý số liệu GNSS đã được xây dựng cho phép xử lý sau bài toán định vị tuyệt đối có độ chính xác tương đương định vị vi phân (DGPS) phục vụ định vị trên biển. b. Các điểm mới của luận án - Đề xuất công thức đồng bộ thời gian do đạo hàm bậc nhất của khoảng cách theo thời gian. - Đề xuất công thức tính chuyển chiều dài cạnh từ các tâm ăng ten về các tâm mốc trắc địa. - Ứng dụng thành công phương pháp ước lượng phương sai của các nguồn sai số đối với trị đo theo tiêu chuẩn của RTCA và phép lọc Kalman trong xử lý số liệu GNSS. - Đề xuất ứng dụng thuật toán giải bài toán định vị tuyệt đối trong trường hợp nhảy đồng hồ máy thu. 9. Kết cấu của luận án Gồm 3 phần chính: (1) Phần mở đầu: Giới thiệu về tính cấp thiết của luận án, mục đích nghiên cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, những luận điểm bảo vệ và những điểm mới của luận án. (2) Phần nội dung gồm 4 chương: 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. 6 10. 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. 11. 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.