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

Nội dung tài liệu: 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

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Dịch sang tiếng Việt ADOP Ambiguity Dilution Of Độ suy giảm độ chính xác số Precesion nguyên lần bước sóng 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 Invariant Quadratic Ước lượng bình phương không Unbiased Estimate chệch tốt nhất BLQ Tệp chứa các hệ số triều dùng để 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 Data Hệ thống thông tin dữ liệu địa Information System động lực vỏ trái đất CHAMP Challenging Minisatellite Vệ tinh CHAMP (của châu Âu) Payload CODE Center for Orbit Determination Trung tâm tính toán quỹ đạo vệ in Europe tinh châu Âu CORS Continuously Operating Trạm tham chiếu thu tín hiệu liên Reference Station tục DCB 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 Geodetic Service Trung tâm cung cấp dịch vụ trắc Provider địa Galileo
10. viii GIS Geographic Information Hệ thống thông tin địa lý System GLONASS GLObal NAvigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn System cầu (của Nga) GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu (của (NAVSTAR GPS) Mỹ) GPT Global Pressure and Mô hình áp suất và khí quyển Temperature toàn cầu GNSS Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn 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 Integer Boot-strapping Phương pháp làm tròn số nguyên 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 INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính 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 Navigation Hệ thống vệ tinh dẫn đường khu Satellite System vực của Ấn Độ