Nghiên cứu phương thức định vị chính xác sử dụng hệ thống gnss lưỡng tần số

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Hệ thống vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo giúp xác định vị trí của các đối tượng trên mặt đất, cho phép bất kỳ ai hoặc vật gì mang theo máy thu đặc biệt biết được vị trí hiện tại của mình Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS, trong đó GPS là một ứng dụng quan trọng, đã được biết đến rộng rãi Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng công nghệ GNSS cho định vị điểm chính xác, đặc biệt là sự kết hợp mã GPS/GLONASS lưỡng tần số Việc kết hợp này không chỉ cải thiện độ chính xác trong định vị mà còn rút ngắn thời gian so với công nghệ chỉ sử dụng GPS.

Em đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG THỨC ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC SỬ DỤNG HỆ THỐNG GNSS LƯỠNG TẦN SỐ” đê nghiên cứu.

Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Công nghệ PPP hiện chỉ sử dụng GPS, gây khó khăn trong việc xác định vị trí ở các khu vực như thành phố núi và mỏ lộ thiên do hạn chế số lượng vệ tinh Để cải thiện độ chính xác và thời gian hội tụ của PPP, một giải pháp hiệu quả là kết hợp giữa GPS và GLONASS.

Lý thuyết về GPS và GLONASS là cơ sở cho việc phát triển mô hình định vị điểm chính xác, trong đó có sự kết hợp giữa GPS và GLONASS Mô hình truyền thống này không chỉ bao gồm sự tích hợp của GPS và GLONASS mà còn mở rộng đến mô hình UofC, tạo ra những cải tiến đáng kể trong khả năng định vị chính xác.

Với thời gian và kiến thức có hạn, luận văn chỉ nghiên cứu về mô hình định vị điểm chính xác kết hợp GPS và GLONASS

Nội dung chính của luận văn và đóng góp của tác giả

Chương 1: Tổng quan về đề tài Giới thiệu kết cấu, bố cục, nội dung của đề tài

Chương 2: Hệ thống GPS và GLONASS Giới thiệu về GNSS, định vị điểm chính xác và các hệ thống GPS và GLONASS Cuối cùng là so sánh tổng quát giữa hai hệ thống GPS và GLONASS

Chương 3: Các nguồn gây lỗi và phương pháp xử lý trong định vị điểm chính xác Giới thiệu các nguồn gây lỗi gây ảnh hưởng đến quá trình định vị chính xác

Chương 4: Mô hình kết hợp định vị điểm chính xác GPS và GLONASS Giới thiệu tổng quan về phương pháp lọc Kalman Mô hình toán học định vị điểm chính xác dựa trên GPS và mô hình kết hợp GPS và GLONASS

Chương 5: Sự ước tính vị trí, vận tốc, thời gian Giới thiệu sự ước tính vị trí, vận tốc, thời gian để giải quyết vấn đề định vị vệ tinh

Chương 6: Phân tích sự ổn định của chênh lệch thời gian hệ thống GPS và GLONASS Phận tích sự chênh lệch thời gian hệ thống là một thông số quan trọng trong định vị của một máy thu.

Kết luận

Với đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ĐỊNH VỊ CHÍNH XÁC SỬ DỤNG

Hệ thống GNSS lưỡng tần số kết hợp GPS và GLONASS cung cấp khả năng định vị chính xác hơn, đồng thời cải thiện thời gian xác định vị trí.

Trong định vị điểm chính xác, phương pháp giảm sai số là yếu tố quan trọng giúp đạt độ chính xác từ dm đến cm Mặc dù GLONASS có khả năng áp dụng các mô hình hiệu chỉnh lỗi và phương pháp giảm lỗi tương tự như GPS cho nhiều nguồn lỗi, nhưng một số lỗi cần được xử lý riêng biệt cho GLONASS, bao gồm lệch tâm pha anten vệ tinh và các nguồn lỗi phụ thuộc tần số.

Chênh lệch thời gian hệ thống là yếu tố quan trọng trong việc định vị sử dụng máy thu GPS/GLONASS Thông số này chịu ảnh hưởng lớn từ loại máy thu, do có sự sai số nội hệ thống gây ra bởi độ trễ của phần cứng.

HỆ THỐNG GPS VÀ GLONASS

GNSS

Hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite System) bao gồm một mạng lưới vệ tinh và thiết bị mặt đất, cho phép xác định tọa độ chính xác bằng cách đo khoảng cách từ ít nhất ba vệ tinh GNSS hoạt động liên tục, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và có mặt trên toàn cầu Mỹ là quốc gia tiên phong trong việc phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường này, được biết đến với tên gọi GPS (Global Positioning System), ban đầu phục vụ cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã mở rộng cho người dân sử dụng miễn phí trên toàn thế giới.

Hiện nay, GNSS (Hệ thống định vị toàn cầu) bao gồm bốn hệ thống định vị vệ tinh, trong đó nổi bật nhất là GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) do Mỹ phát triển và hoạt động từ năm 1978.

Vào năm 1944, hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System) được Nga phát triển và bắt đầu hoạt động từ năm 1995 Hệ thống GALILEO do Liên minh Châu Âu (EU) chế tạo, trong khi hệ thống BeiDou của Trung Quốc được triển khai từ năm 2000 Mặc dù có nguồn gốc khác nhau, nguyên lý hoạt động chung của bốn hệ thống GPS, GLONASS, GALILEO và BeiDou về cơ bản là tương tự nhau.

Một số thông tin cơ bản về bốn hệ thống vệ tinh nhân tạo: GPS, GLONASS,

GPS, hay Hệ thống Định vị Toàn cầu, là một hệ thống do Bộ Quốc phòng Mỹ thiết kế và quản lý, thường được gọi là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) Hệ thống này bao gồm 31 vệ tinh hoạt động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo khác nhau.

GLONASS (Hệ thống Vệ tinh Dẫn đường Toàn cầu) là một hệ thống vệ tinh do Liên bang Xô Viết thiết kế và hiện đang được Nga duy trì Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên 3 mặt phẳng quỹ đạo, cung cấp dịch vụ định vị toàn cầu.

Hệ thống định vị toàn cầu GALILEO, mang tên nhà thiên văn học Galileo, được phát triển với mục đích sử dụng dân sự Dự án này bắt đầu được triển khai từ năm 1999 bởi bốn quốc gia: Pháp, Đức, Italia và Anh GALILEO bao gồm 30 vệ tinh, trong đó có 27 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng, di chuyển trong ba mặt phẳng quỹ đạo khác nhau.

Hệ thống định vị Bắc Đẩu, chính thức mang tên "Hệ thống thử nghiệm định vị vệ tinh Bắc Đẩu" hay còn gọi là "Bắc Đẩu 1", là hệ thống đầu tiên với sự tham gia của 3 vệ tinh.

Kể từ năm 2000, dịch vụ chuyển hướng đã chủ yếu phục vụ khách hàng tại Trung Quốc và các khu vực lân cận Hệ thống hiện tại, được biết đến là thế hệ thứ hai, đã cải thiện đáng kể hiệu suất và tính năng.

“Compass” hay “Bắc Đẩu 2”, sẽ là một hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu bao gồm

35 vệ tinh, vẫn còn đang được tạo dựng Nó đã hoạt động với phạm vi toàn Trung Quốc trong tháng 12 năm 2011.

Quan sát GNSS

Quan sát GNSS bao gồm các số đo từ vệ tinh để ước tính vị trí, vận tốc và thời gian Hai loại quan sát cơ bản là phép đo giả cự ly và phép đo pha sóng mang, đại diện cho khoảng cách giữa máy thu và các vệ tinh có thể nhìn thấy Thêm vào đó, phép đo sự thay đổi tần số Doppler cũng là một loại quan sát quan trọng trong GNSS.

Giả cự ly là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu, được xác định thông qua thời gian tín hiệu GNSS di chuyển từ vệ tinh đến máy thu Khoảng cách này được tính bằng cách nhân thời gian di chuyển với tốc độ truyền tín hiệu, tức là tốc độ ánh sáng.

Mỗi vệ tinh GNSS phát đi một mã số riêng biệt, giúp máy thu xác định thời gian di chuyển bằng cách tạo bản sao của mã vệ tinh và so sánh với các tín hiệu nhận được Quá trình này diễn ra cho đến khi đạt được mối tương quan tối đa, với số lượng thời gian chuyển tương ứng với thời gian di chuyển của tín hiệu (∆𝑇).

Hình 2- 1: Ví dụ về sự xác định ∆𝑻 Giả cự ly được thể hiện như sau:

𝜌 là khoảng cách giữa vị trí vệ tinh (𝑋 𝑠 , 𝑌 𝑠 , 𝑍 𝑠 ) ở thời điểm truyền tín hiệu và vị trí máy thu (x,y,z)

𝛿𝑡 𝑟𝑐𝑣 độ lệch xung đồng hồ máy thu

𝛿𝑡 𝑠𝑎𝑡 độ lệch xung đồng hồ vệ tinh

Pha sóng mang đại diện cho khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, được xác định bằng cách đếm số chu kỳ sóng mang trong thời gian truyền tín hiệu Khoảng cách được tính bằng cách nhân số lượng chu kỳ với bước sóng của tín hiệu.

Phép đo pha sóng mang được thể hiện như sau Ф = λϕ = ρ + c ∙ (δt rcv − δt sat ) + T d − I d + λN + ϵ Ф (2.2.3)

𝜌 là khoảng cách giữa vị trí vệ tinh (𝑋 𝑠 , 𝑌 𝑠 , 𝑍 𝑠 ) ở thời điểm truyền tín hiệu và vị trí máy thu (x,y,z)

𝛿𝑡 𝑟𝑐𝑣 độ lệch xung đồng hồ máy thu

𝛿𝑡 𝑠𝑎𝑡 độ lệch xung đồng hồ vệ tinh λ là bước sóng tín hiệu sóng mang

N là số nguyên pha sóng mang

𝐼 𝑑 trễ tầng điện ly ϵ Ф nhiễu đo lường

2.2.3 Sự thay đổi tần số Doppler

Sự thay đổi tần số Doppler là sự khác biệt giữa tần số tín hiệu nhận được và tần số tín hiệu phát ra, do hiệu ứng Doppler gây ra bởi chuyển động tương đối giữa máy thu và các vệ tinh cũng như các phương tiện truyền tín hiệu.

Trong máy thu GNSS, việc đo sự thay đổi tần số Doppler được thực hiện thông qua việc lấy mẫu cài đặt tần số của bộ dao động điều khiển bằng số, nhằm theo dõi pha của tín hiệu nhận được.

Phép đo sự thay đổi tần số Doppler được thể hiện như sau:

𝜌̇khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu

𝛿𝑡̇ rcv là độ lệch xung đồng hồ máy thu

𝛿𝑡̇ sat là độ lệch xung đồng hồ vệ tinh

Ṫ d là trễ tầng đối lưu

İ d là trễ tầng điện ly ϵ̇ Ф nhiễu đo lường

Phép đo tần số Doppler phản ánh sự thay đổi do chuyển động giữa máy thu và vệ tinh, và mối quan hệ này có thể được mô tả rõ ràng.

D = λf d = n⃗ ∙ (v⃗ sat − v⃗ rcv ) + c ∙ (δṫ rcv − δṫ sat ) + Ṫ d − İ d + ϵ̇ Ф (2.2.6) Trong đó

𝑛⃗ đại diện cho vecto hướng cosin chỉ từ máy thu (x,y,z) đến vệ tinh (𝑋 𝑠 , 𝑌 𝑠 , 𝑍 𝑠 ), định nghĩa như sau: n

⃗ = ( x−X s ρ , y−Y s ρ , z−Z s ρ ) (2.2.7) 𝛿𝑡̇ rcv là độ lệch xung đồng hồ máy thu

𝛿𝑡̇ sat là độ lệch xung đồng hồ vệ tinh

Ṫ d là trễ tầng đối lưu

İ d là trễ tầng điện ly ϵ̇ Ф nhiễu đo lường

Định vị điểm chính xác PPP (Precise Point Positioning)

Định vị điểm chính xác PPP với độ chính xác từ dm đến cm đã trở thành hiện thực nhờ vào lịch sao vệ tinh và sự hiệu chỉnh thời gian từ IGS và các tổ chức khác PPP ngày càng được ưa chuộng trong định vị GPS vì tính đơn giản, lợi ích kinh tế cao, độ chính xác vượt trội và không cần trạm cơ sở Bằng cách sử dụng máy thu GPS đơn giản để đo lường lưỡng tần số, người dùng có thể đạt được độ chính xác cm hoặc dm trong cả mô hình động và tĩnh Hiện nay, độ chính xác này có thể đạt được thông qua phương pháp định vị vi phân bằng cách theo dõi đồng thời từ hai máy thu gần nhau.

Hệ thống PPP cho ứng dụng tĩnh được giới thiệu bởi Zumberge et al (1997), với mô hình theo dõi truyền thống kết hợp giữa theo dõi tự do tầng điện ly và theo dõi pha sóng mang Kouba và Héroux đã chi tiết hóa công nghệ PPP, cho phép định vị chính xác đến mức cm nhờ sử dụng mã không so sánh được và theo dõi pha sóng mang từ máy thu lưỡng tần số Một số nghiên cứu đã mở rộng ứng dụng PPP từ mô hình tĩnh sang mô hình động, trong đó Gao et al (2003, 2004) đạt được kết quả định vị động ở mức dm và định vị tĩnh ở mức cm thông qua phương pháp PPP thời gian thực với quỹ đạo vệ tinh chính xác Ngoài ra, phương pháp PPP đơn tần số cũng được phát triển với độ chính xác dm.

Trong những năm gần đây, PPP đã trở thành công cụ hữu ích cho nhiều ứng dụng đo đạc Mặc dù phương pháp này mang lại lợi ích lớn với hiệu năng kinh tế cao, nhưng thời gian khởi tạo để đạt độ chính xác tối ưu thường kéo dài từ 20 đến 30 phút Thời gian hội tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số lượng và hình dạng vệ tinh, môi trường sử dụng, động lượng học, chất lượng quan sát và tốc độ lấy mẫu Hiện tại, PPP chỉ cung cấp độ chính xác cm trong mô hình tĩnh và dm trong mô hình động Do đó, cần có sự cải tiến trong định vị điểm chính xác cho các ứng dụng tương lai Sự kết hợp giữa GPS và GLONASS trong PPP được kỳ vọng sẽ nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và thời gian hội tụ.

Hệ thống GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ, là một hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu GPS bao gồm ba thành phần chính: trạm không gian, trạm điều khiển và người dùng Trạm không gian bao gồm các vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo.

Có 19 trong tổng số 24 vệ tinh GPS hoạt động ở độ cao khoảng 20.200 km so với mặt đất Những vệ tinh này phát tín hiệu sóng điện từ, giúp người dùng xác định vị trí, vận tốc và thời gian một cách chính xác và trong thời gian thực Hệ thống vệ tinh GPS được sắp xếp thành 6 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng chứa 4 vệ tinh.

Hình 2- 2: Tập hợp GPS với sáu mặt phẳng quỹ đạo

Các mặt phẳng quỹ đạo của vệ tinh GPS nghiêng khoảng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo Mỗi chòm sao có từ 4 đến 10 vệ tinh có khả năng phát tín hiệu toàn cầu Số lượng vệ tinh trong quỹ đạo càng nhiều thì khả năng nhận tín hiệu càng được cải thiện Hiện tại, hệ thống GPS bao gồm 31 vệ tinh thuộc các loại khối II, IIA, IIR và IIR-M.

Những vệ tinh GPS ban đầu được thiết kế để truyền tín hiệu sóng mang trên

Bài viết đề cập đến hai tần số L175.42 MHz và L227.60 MHz, cùng với ba loại mã giả ngẫu nhiên (PRN) được thiết kế Mã C/A (Coarse / Acquisition code) hoạt động với tốc độ 1.023 MHz và chu kỳ 1 mili giây, trong khi mã P (Precision code) có tốc độ 10.23 MHz và chu kỳ 7 ngày Mã Y được sử dụng thay thế cho mã P khi hệ thống chống giả mạo (anti-spoofing - A-S) được kích hoạt Cả mã C/A và mã P đều có thể sử dụng trên tần số L1 và L2.

Vệ tinh khối IIR-M sử dụng mã C/A trên L2, nhưng mã này không áp dụng cho vệ tinh khối II/IIA/IIR Mã C/A cho phép người dùng thông thường truy cập dịch vụ định vị chuẩn (SPS) với độ chính xác 13m (95%) theo chiều ngang và 22m (95%) theo chiều dọc, cùng với thời gian di chuyển chính xác khoảng 40ns (95%) Ngược lại, mã P chỉ dành cho quân đội Mỹ, các liên minh quân sự chọn lọc và chính phủ, cung cấp dịch vụ định vị chính xác (PPS) với độ chính xác khoảng 10m (95%) Mỗi vệ tinh còn phát tín hiệu bản tin định vị chứa thông tin về quỹ đạo, hiệu chỉnh định thời, hệ thống thời gian, trạng thái và các thông số khác.

Trạm điều khiển GPS bao gồm 12 trạm giám sát, bốn anten mặt đất và một trạm điều khiển trung tâm (MCS) Các trạm giám sát có nhiệm vụ theo dõi tín hiệu từ các vệ tinh và thu thập dữ liệu theo dõi MCS sẽ xử lý tín hiệu để xác định quỹ đạo vệ tinh và cập nhật bản tin định vị Sau khi cập nhật, bản tin định vị sẽ được truyền đến từng vệ tinh thông qua các anten mặt đất.

Người dùng bao gồm những máy thu GPS và những anten, những thứ có khả năng được định vị, vận tốc và thông tin thời gian

Mỗi lần xác định vị trí, thời gian tín hiệu từ vệ tinh được truyền đi sẽ được so sánh với thời gian nhận tại máy thu Sự chênh lệch thời gian này giúp xác định khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh Dựa vào tọa độ vị trí của vệ tinh cùng thời gian phát đi trong bản tin định vị, vị trí người dùng được tính toán thông qua phép đo ba cạnh tam giác.

Hệ thống GLONASS

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GLONASS của Nga bao gồm 24 vệ tinh, hoạt động liên tục để phát tín hiệu trên hai tần số sóng mang Những tín hiệu này cho phép người dùng trên toàn cầu xác định vị trí và vận tốc của mình thông qua mã giả cự ly và phép đo pha sóng mang.

Những vệ tinh GLONASS đầu tiên đã được phóng vào quỹ đạo vào năm 1982, sau đó một cuộc thử nghiệm toàn diện được thực hiện để kiểm tra hệ thống Hiệu năng của các vệ tinh GLONASS đã được cải thiện dần theo thời gian Mặc dù kế hoạch sơ bộ để hoàn thiện hệ thống đã được lập từ năm 1991, nhưng việc triển khai đầy đủ 24 vệ tinh chỉ hoàn tất vào năm 1996.

Trạm không gian GLONASS bao gồm 24 vệ tinh được phân bố trong 3 mặt phẳng quỹ đạo, mỗi vệ tinh có thể được nhận diện qua số lượng slot của nó Ba mặt phẳng quỹ đạo này tạo thành một góc 120 độ với nhau.

Trạm điều khiển mặt đất của hệ thống định vị GLONASS được đặt tại lãnh thổ Liên bang Xô Viết cũ Hệ thống này có hệ thống tọa độ và thời gian tham chiếu riêng, trong đó hệ thống tọa độ dựa trên PZ-90 và thang đo thời gian dựa trên UTC (SU) Tuy nhiên, khác với GPS, thang đo thời gian của GLONASS không liên tục và cần phải được điều chỉnh để qua chu kỳ thứ hai, điều này tạo ra sự khác biệt đáng kể so với hệ thống định vị GPS.

Tất cả các vệ tinh truyền tín hiệu cho người dùng trên hai băng tần số, giúp sửa lỗi trễ truyền tầng điện ly thông qua phép đo lưỡng tần số Công nghệ FDMA của GLONASS phân bổ tần số riêng cho mỗi vệ tinh, xác định bởi số kênh tần số, cho phép các máy thu của người dùng nhận tín hiệu hiệu quả.

Không phải tất cả các vệ tinh đều sử dụng tần số khác nhau; hai vệ tinh ở vị trí đối lập trong cùng một mặt phẳng quỹ đạo thường chia sẻ cùng một tần số truyền tín hiệu.

Các vệ tinh GLONASS điều chế tín hiệu định vị của chúng ở tần số sóng mang, sử dụng hai loại mã: mã C/A với độ dài chip 586.7m và mã P với độ dài chip 58.67m Ngoài việc truyền tín hiệu định vị, các vệ tinh còn cung cấp thông tin như lịch sao vệ tinh, niên giám và các thông số hiệu chỉnh thời gian Lịch sao vệ tinh được cập nhật theo chu kỳ 24 giờ và tải lên từ trung tâm điều khiển mặt đất, với mỗi vệ tinh truyền một bộ lịch mới sau mỗi 3 phút Niên giám được cập nhật khoảng một lần mỗi ngày, trong khi lịch sao vệ tinh chính xác, hay còn gọi là lịch sao sau xử lý, có thể được truy cập từ IGS hoặc các tổ chức khác Quỹ đạo chính xác của GLONASS đạt được độ chính xác 15cm với độ trễ nhất định.

Sự hiện đại hóa GPS và GLONASS

2.6.1 Sự hiện đại hóa của GPS

GPS đã được cải tiến đáng kể từ năm 1995, khi đạt hiệu suất tối ưu Đến năm 1998, Mỹ khởi động kế hoạch hiện đại hóa GPS nhằm khắc phục các điểm yếu như mã C/A không khả dụng trên L2 cho người dùng thông thường và mã P dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu Sự cạnh tranh với hệ thống vệ tinh Galileo cũng thúc đẩy quá trình này Chương trình hiện đại hóa bao gồm việc bổ sung các trạm mặt đất, tín hiệu L2C, tần số L5, tín hiệu L1C và mã quân sự M, nhằm tăng cường công suất tín hiệu, cải thiện độ chính xác và tính sẵn sàng của giải pháp định vị cho mọi người dùng.

L2C là tín hiệu quảng bá tiêu chuẩn trên dải tần số L2, được phát sóng bởi tất cả các vệ tinh khối IIR-M và các vệ tinh thiết kế sau này Mục tiêu của tín hiệu L2C là nâng cao độ chính xác trong định vị, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng định vị của hệ thống.

Việc sử dụng hai tín hiệu thông thường trên mỗi vệ tinh GPS giúp loại bỏ lỗi trễ truyền sóng tầng điện ly, một nguồn lỗi lớn trong định vị Tín hiệu L5, với tần số 576.45 MHz, được thiết kế để cải thiện cấu trúc tín hiệu, nâng cao công suất truyền và mở rộng băng tần Tín hiệu L1C, được hiện đại hóa tại tần số L1, mang lại hiệu suất định vị tốt hơn trong môi trường yêu cầu theo dõi, đồng thời tương thích tốt với Galileo L1 Mã M, một tín hiệu quân sự mới, được phát triển để chống tắc nghẽn hiệu quả hơn so với mã Y và có khả năng khóa trực tiếp mà không cần qua đầu C/A Hình 1-4 minh họa quá trình hiện đại hóa tín hiệu GPS.

Hình 2- 4: Sơ đồ tín hiệu GPS hiện đại hóa

Bước đầu tiên trong việc hiện đại hóa GPS là loại bỏ tính sẵn sàng chọn lọc vào ngày 2 tháng 5 năm 2000, nâng cao độ chính xác độc lập xuống khoảng 20m Vệ tinh GPS khối IIR hiện đại hóa đầu tiên (IIR-M) với L2C được khởi động vào ngày 26 tháng 9 năm 2005 Hiện tại, trong tổng số 31 vệ tinh GPS đang hoạt động, có sáu vệ tinh thuộc khối IIR-M Hai vệ tinh khối IIR-M cuối cùng dự kiến sẽ được khởi động vào tháng 8 năm 2009, trong khi sự khởi động của các vệ tinh GPS khối IIF với đầy đủ năng lực L5 được lên kế hoạch vào tháng 11 năm 2009 Các vệ tinh khối IIF khác sẽ được khởi động vào năm 2010, và dự án hiện đại hóa hệ thống GPS tiếp theo, khối III với L1C, dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2014.

2.6.2 Sự hiện đại hóa GLONASS

GLONASS đạt hiệu suất tối ưu với 24 vệ tinh vào tháng 1 năm 1996, nhưng đã giảm xuống còn 18 vệ tinh vào tháng 11 năm 2001 do thiếu vốn Để khắc phục tình trạng này, chính phủ Nga đã phê duyệt chương trình GLONASS liên bang giai đoạn 2002-2011 vào ngày 20 tháng 8 năm 2001, nhằm sửa chữa và hiện đại hóa hệ thống Chương trình này được tài trợ trực tiếp từ ngân sách liên bang để đảm bảo việc bảo trì hàng năm và hướng tới việc phục hồi tập hợp vệ tinh đầy đủ.

24 vệ tinh hoạt động hiệu quả nhất sẽ có khả năng thực hiện nhiệm vụ một cách tối ưu Hơn nữa, hiệu suất của hệ thống GLONASS có thể so sánh với hiệu suất của GPS vào năm nay.

Kế hoạch hiện đại hóa GLONASS vào năm 2010 bao gồm việc bổ sung mã thông thường thứ hai cho vệ tinh GLONASS-M và tần số thông thường thứ ba cho vệ tinh GLONASS-K thế hệ tiếp theo Ngoài ra, kế hoạch còn tập trung vào việc cập nhật các trạm điều khiển mặt đất, cải thiện độ chính xác trong việc xác định quỹ đạo và đồng bộ thời gian Đặc biệt, kế hoạch này cũng bao gồm nâng cấp thiết kế và sản xuất các thiết bị GLONASS, GLONASS/GPS và GLONASS/GPS/Galileo phục vụ cho cả mục đích quân sự lẫn người dùng thông thường.

Vệ tinh GLONASS-M là phiên bản nâng cấp của hệ thống GLONASS, sở hữu nhiều tính năng mới, bao gồm thời gian hoạt động kéo dài đến 7 năm, bổ sung điều biến thứ hai trên dải tần L2, cải thiện hiệu suất định vị và cập nhật tín hiệu radio.

Vệ tinh GLONASS-K là thế hệ tiếp theo của hệ thống định vị, được trang bị thêm một tần số tín hiệu thứ ba và có thời gian phục vụ lên tới 10-12 năm Sự cải tiến này bao gồm việc áp dụng tín hiệu CDMA, đánh dấu một bước chuyển biến quan trọng trong thiết kế GLONASS, không bị ràng buộc bởi các tiêu chuẩn hay mô hình vũ trụ truyền thống.

GLONASS đang trải qua quá trình hiện đại hóa, với vệ tinh GLONASS-M đầu tiên được khởi động vào năm 2003 Hiện tại, tổng số vệ tinh trong hệ thống đã đạt 20, chủ yếu là vệ tinh GLONASS-M Vệ tinh GLONASS-K đầu tiên được ra mắt vào năm 2010, và số lượng tín hiệu GLONASS có thể được quan sát trong hình 2-5.

Hình 2- 5: Quy hoạch số lượng có thể của tín hiệu GLONASS

So sánh giữa GPS và GLONASS

2.7.1 Sự khác nhau giữa GPS và GLONASS

Mặc dù GPS và GLONASS là những hệ thống định vị vệ tinh khá giống nhau nhưng vẫn có một vài điểm khác biệt giữa chúng:

Các vệ tinh GPS và GLONASS phát tín hiệu trên hai tần số L1 và L2 Trong khi tần số tín hiệu của các vệ tinh GPS là đồng nhất, các vệ tinh GLONASS lại có tần số khác nhau.

Tọa độ vệ tinh GPS được xác định theo hệ thống tọa độ trắc địa toàn cầu WGS-84, trong khi hệ thống GLONASS sử dụng chuẩn tọa độ PZ-90.

Thời gian của vệ tinh GPS được xác định dựa trên một hệ thống thời gian liên tục, trong khi thời gian của vệ tinh GLONASS lại dựa trên một hệ thống thời gian không liên tục, do được điều chỉnh định kỳ bằng giây xen kẽ.

 Tốc độ mã C/A và P của GLONASS chỉ bằng một nửa của mã tương ứng trong GPS

 Thông số thiên văn của GPS là Keplerian nhưng thông số thiên văn của GLONASS được cho bởi tọa độ Earth-Centered Earth-Fixed XYZ

 Độ nghiêng của quỹ đạo lớn nhất của GLONASS có thể bao phủ vệ tinh tốt hơn trong vùng vĩ độ cao

Bảng 2- 1: So sánh giữa GPS và GLONASS

Số mặt phẳng quỹ đạo 3 6

Trục nửa lớn 25510 km 26580 km Độ cao quỹ đạo 19130 km 20200 km

Chu kỳ quỹ đạo 11h 15.8min 11h 58min Độ nghiêng 64.8 o 55 o Đặc tính tín hiệu

Sự khác biệt FDMA CDMA

Tần số sóng mang 1602+k*0.5625 MHz 1575.42 MHz Tần số mã (MHz) Mã C/A: 0.511 Mã C/A: 1.023 Thông số thiên văn Vị trí, vận tốc, gia tốc Phần tử Keplerian Chuẩn tham chiếu

Hệ thống tham chiếu PZ-90 WGS-84

Cả GPS và GLONASS đều sở hữu hệ thống thời gian riêng biệt, do đó việc chuyển đổi từ thời gian GLONASS sang thời gian GPS không phải là điều đơn giản Vì vậy, sự khác biệt giữa hai thang thời gian này cần phải được tính toán cẩn thận trong quá trình kết hợp dữ liệu từ GPS và GLONASS.

Đồng hồ của vệ tinh GLONASS và GLONASS-M có độ ổn định hàng ngày lần lượt là 5*10^-13 và 1*10^-13 Độ chính xác đồng bộ tương đối của thang thời gian không dưới 20 ns cho GLONASS và 8 ns cho GLONASS-M Hệ thống thời gian GLONASS được duy trì bởi thời gian đồng bộ trung tâm GLONASS (CS), với sự ổn định hàng ngày nhỏ hơn 1-5*10^-14 Sai lệch giữa thời gian GLONASS và thời gian tham chiếu quốc gia UTC(SU) nhỏ hơn 1ms và được ghi nhận trong bản tin định vị theo GLONASS ICD.

Thời gian GLONASS được điều chỉnh định kỳ theo các số nguyên giây, đồng thời với việc hiệu chỉnh UTC Do đó, không có sự sai lệch nào giữa thời gian GLONASS và UTC(SU) trong các số nguyên giây, mặc dù sự khác biệt hiện tại vẫn là 3 giờ.

Hệ thống thời gian GPS, được duy trì bởi trạm điều khiển chủ GPS từ ngày 6 tháng 1 năm 1980, khác với UTC do sự xuất hiện của giây xen kẽ trong các thang thời gian sau này Sự khác biệt giữa GPS và UTC khoảng 100ns, vì chúng được duy trì bởi những xung đồng hồ khác nhau Người dùng GPS được thông báo về sự chênh lệch này cùng với thông số của UTC trong bản tin định vị GPS.

Thời gian GPS và GLONASS có sự khác biệt về giây xen kẽ Để chuyển đổi thời gian GLONASS sang thời gian GPS, có thể sử dụng công thức sau: t_GPS = t_GLONASS + τ_c + τ_u + τ_g.

Trong lĩnh vực đo thời gian, các biến thể τ_c, τ_u và τ_g được định nghĩa như sau: τ_c = t_UTC(SU) - t_GLONASS, τ_u = t_UTC - t_UTC(SU), và τ_g = t_GPS - t_UTC Hiện nay, UTC được duy trì bằng dữ liệu từ khoảng 230 đồng hồ nguyên tử tại 60 phòng thí nghiệm trên toàn thế giới Hai loại UTC cục bộ là UTC(USNO) và UTC(SU) UTC(USNO) được đồng bộ bởi một đồng hồ nguyên tử chủ và các đồng hồ cesium chuẩn, với độ sai lệch so với UTC chỉ vài nano giây Trong khi đó, UTC(SU) được duy trì bởi một nhóm đồng hồ nguyên tử chủ, nổi bật với độ ổn định cao và chỉ sai lệch vài micro giây so với UTC Tuy nhiên, do dữ liệu từ các trung tâm thời gian cục bộ không thể so sánh trực tiếp với thời gian thực, nên sự sai lệch giữa UTC(USNO) và UTC(SU), cũng như giữa thang thời gian GPS và GLONASS, không thể xác định ngay lập tức trong thời gian thực Đây là một thách thức lớn khi kết hợp dữ liệu GPS và GLONASS cho các ứng dụng thời gian thực.

2.7.3.1 Hệ thống tọa độ GLONASS

Lịch sao vệ tinh quảng bá GLONASS miêu tả vị trí vệ tinh trong PZ-90 Earth-Centered Earth-Fixed với hệ thống được xác định như sau:

 Gốc tọa độ được đặt ở trung tâm của khối trái đất

 Trục Z được hướng theo cực trái đất quy ước như được giới thiệu bởi IERS (International Earth Rotation Service)

 Trục X được hướng tới điểm giao của mặt phẳng xích đạo trái đất và kinh tuyến 0 được lập bởi BIH (Bureau International de I’Heure)

 Trục Y hoàn thành một hệ thống tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

2.7.3.2 Hệ thống tọa độ GPS

GPS gốc dựa trên cấu trúc tọa độ của hệ thống trắc địa toàn cầu WGS72, được phát triển vào năm 1972 Sau đó, cấu trúc chuẩn này đã được chuyển đổi thành hệ thống trắc địa toàn cầu mới hơn.

1984 (WGS84) Cấu trúc chuẩn được sử dụng bởi GPS được xác định như sau:

 Gốc tọa độ được đặt ở trung tâm của khối trái đất

 Trục Z là hướng của cực quy ước IERS

 Trục X là giao của đường kinh tuyến quy ước IERS (IRM) và mặt phẳng đi qua gốc và trực giao với trục Z

 Trục Y hoàn thành một hệ thống tọa độ trực giao Earth-Centered Earth-Fixed theo quy tắc bàn tay phải

2.7.3.3 Chuyển đổi giữa PZ-90 và WGS-84 Để sử dụng kết hợp GLONASS và GPS, thông số chuyển đổi giữa PZ-90 và WGS-84 phải đạt được đầu tiên PZ-90 và WGS-84 có định nghĩa khác nhau được miêu tả ở trên Tuy vậy, chúng vẫn khác trong sự thực hiện hệ thống tọa độ Rossbach et al (1996) đạt được một tập thông số chuyển đổi sử dụng các trạm với thông số về tọa độ tương đối với cả hai hệ thống Misra et al (1996) sử dụng một tập tọa độ vệ tinh GLONASS trong cả PZ-90 và WGS-84 để đạt được thông số chuyển đổi [21] Cả hai phương pháp đều nhận được kết quả có thể so sánh được Mỗi một tập thông tin chuyển đổi được xác định, sự chuyển đổi của tọa độ trạm có thể được thực hiện bởi việc sử dụng mô hình chuyển đổi Seven-Parameter Helmert Thay vào đó, vị trí vệ tinh GPS và GLONASS có thể được tính trong một cấu trúc giống nhau và sau đó tọa độ các trạm thu được cũng sẽ trong cấu trúc mẫu này [17]

Lịch sao vệ tinh quảng bá với các cấu trúc mẫu khác nhau hỗ trợ định vị điểm đơn giản kết hợp GPS/GLONASS, cho phép xác định tọa độ chuyển đổi Tuy nhiên, trong phương pháp PPP kết hợp GPS và GLONASS, việc xác định tọa độ chuyển đổi không cần thiết, vì tọa độ mẫu đồng nhất đã được thực hiện trong các sản phẩm định vị GPS/GLONASS chính xác.

CHƯƠNG 3: CÁC NGUỒN GÂY LỖI VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

TRONG ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC

Giới thiệu

Một yếu tố quan trọng để đạt được độ chính xác cao trong định vị là giảm thiểu các lỗi liên quan đến không gian, truyền tín hiệu, môi trường mặt đất và thiết bị thu Trong định vị GPS vi sai, độ chính xác milimet có thể đạt được bằng cách loại bỏ một số lỗi thông qua phương pháp theo dõi giữa hai trạm Tuy nhiên, phương pháp này không thể áp dụng cho PPP, vì PPP chỉ sử dụng tín hiệu từ một máy thu duy nhất Do đó, tất cả các lỗi cần được xử lý trong PPP để đạt được độ chính xác ở mức centimet.

Trong chương này, các nguồn gây lỗi được phân loại thành hai nhóm chính Nhóm đầu tiên bao gồm các nguồn lỗi thông thường trong định vị GPS như sai số quỹ đạo vệ tinh, xung đồng hồ, lỗi trễ tầng điện ly, lỗi trễ tầng đối lưu, độ lệch xung máy thu, đa đường và nhiễu đo lường Nhóm thứ hai gồm các nguồn lỗi đặc biệt cần giảm thiểu khi sử dụng PPP, chẳng hạn như độ lệch tâm pha anten máy thu và vệ tinh, phase wind up, địa triều, sức ép thủy triều, sức ép khí quyển và hiệu ứng Sagnac Hầu hết các lỗi này có thể được giảm thiểu thông qua mô hình hóa, với độ lệch xung máy thu và lỗi trễ tầng đối lưu có thể được ước lượng như các thông số chưa biết, trong khi lỗi trễ tầng điện ly có thể được giảm bớt nhờ cấu trúc kết hợp theo dõi tự do tầng điện ly.

Các nguồn lỗi thông thường

3.2.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh và xung đồng hồ

Sai số quỹ đạo vệ tinh được xác định bởi sự chênh lệch giữa vị trí thực tế của vệ tinh và giá trị tính toán, thường được phân tích qua ba thành phần: along-track, cross-track và bán kính Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác trong định vị điểm đơn giản.

31 thành phần độ cao chủ yếu tương đối thấp do không có vệ tinh nào theo dõi dưới đường ngang Độ chính xác định vị của thành phần kinh độ thường kém hơn so với vĩ độ, điều này xuất phát từ thiết kế quỹ đạo và chuyển động của các vệ tinh Sai số xung đồng hồ vệ tinh được mô tả bởi sự lệch, trượt và tốc độ trượt của xung đồng hồ.

Lịch sao vệ tinh chứa thông tin về quỹ đạo vệ tinh và lệch xung đồng hồ, được chia thành hai loại: lịch sao vệ tinh quảng bá và lịch sao vệ tinh chính xác Lịch sao vệ tinh quảng bá GPS cung cấp thông số Keplerian với độ chính xác khoảng 1.6m cho vị trí vệ tinh và 7ns cho sự hiệu chỉnh đồng hồ Trong khi đó, lịch sao vệ tinh quảng bá GLONASS cung cấp tọa độ, vận tốc và gia tốc trực tiếp trong quá trình thu thập dữ liệu Ngược lại, lịch sao vệ tinh chính xác, hay còn gọi là lịch sao vệ tinh tiền xử lý, không có sẵn trong thời gian thực do độ trễ trong xử lý dữ liệu Lịch sao vệ tinh chính xác GPS được ước lượng từ dữ liệu thu thập tại trạm chuẩn gốc, nơi có máy thu GPS lưỡng tần số theo dõi liên tục Dữ liệu này sau đó được gửi đến trung tâm xử lý, nơi các thuật toán tinh vi tạo ra thông tin về xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh chính xác, rồi được phân phối tới người dùng qua Internet hoặc vệ tinh thông tin địa tĩnh.

Bảng 3- 1: Độ chính xác tọa độ và vận tốc của vệ tinh GLONASS [8]

Dịch vụ GNSS toàn cầu (IGS) cung cấp dữ liệu đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh chính xác, hỗ trợ nghiên cứu khoa học trái đất và ứng dụng đa lĩnh vực IGS bao gồm 4 trung tâm dữ liệu toàn cầu, 6 trung tâm dữ liệu cục bộ, 17 trung tâm dữ liệu mở, 10 trung tâm phân tích và nhiều trung tâm phân tích cộng tác nội bộ IGS đã xây dựng một mạng lưới theo dõi GPS toàn cầu với hơn 300 trạm GPS mở và gần 100 trạm lưu trữ, phân phối dữ liệu GPS và GLONASS cho người dùng trong khoa học, kỹ thuật và nghiên cứu.

Hình 3- 2: Các trạm GPS/GLONASS trên mạng lưới theo dõi IGS

3.2.1.2 Sản phẩm GPS chính xác

IGS cung cấp một loạt sản phẩm bao gồm lịch sao vệ tinh chính xác, thông tin xung đồng hồ trạm và vệ tinh, tọa độ địa lý của trạm theo dõi, cùng với thông số quay trái đất và khí quyển Kể từ năm 1994, IGS đã cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GPS với độ chính xác và tính tức thời ngày càng cao Hiện tại, người dùng GNSS có thể truy cập các sản phẩm IGS với độ chính xác và thời gian chờ khác nhau, bao gồm sản phẩm siêu tốc, sản phẩm nhanh và sản phẩm chính xác cuối cùng Sự cân bằng giữa độ chính xác và thời gian chờ được thể hiện rõ từ sản phẩm siêu tốc đến sản phẩm cuối cùng, trong đó độ chính xác tăng lên nhưng thời gian chờ cũng tăng theo.

Cùng với IGS, các tổ chức như Jet Propulsion Laboratory (JPL) và Natural Resources Canada (NRCan) cũng cung cấp sản phẩm GPS chính xác cho người dùng JPL cung cấp dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh chính xác gần thời gian thực, cùng với dịch vụ hiệu chỉnh GPS vi sai toàn cầu qua Internet NRCan đã bắt đầu cung cấp sản phẩm GPS chính xác thông qua vệ tinh và Internet từ năm 2004 Bảng 3-2 tóm tắt dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GPS chính xác từ IGS, JPL và NRCan.

Bảng 3- 2: Dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GPS chính xác

Quỹ đạo / xung đồng hồ Độ chính xác Độ trễ Cập nhật Khoảng thời gian

Quảng bá Quỹ đạo ~ 160 cm Thời gian thực

- Hảng ngày Xung đồng hồ ~ 70 ns

Siêu tốc (nửa dự đoán)

Quỹ đạo ~ 10 cm Thời gian thực

4 lần/ngày 15 phút Xung đồng hồ ~ 5 ns

Siêu tốc (nửa theo dõi)

Quỹ đạo < 5 cm 3 giờ 4 lần/ngày 15 phút Xung đồng hồ 0.2 ns

IGS nhanh Quỹ đạo < 5 cm 17 giờ Hàng ngày 15 phút

Xung đồng hồ 0.1 ns 5 phút

IGS cuối cùng Quỹ đạo < 5 cm ~ 13 ngày

Xung đồng hồ < 0,1 ns 5 phút

Thời gian thực như JPL(NRT)

15 phút 5 phút Xung đồng hồ ~ 0.7 ns

Quỹ đạo ~ 18 cm ~ 4 giây 1 giây ~ 28 giây

Xung đồng hồ ~ 1 ns 1 giây

Quỹ đạo ~ 10 cm ~ 5 giây 2 giây ~ 20 giây

Xung đồng hồ ~ 1 ns 2 giây

3.2.1.3 Sản phẩm GLONASS chính xác

Sự thử nghiệm GLONASS toàn cầu (IGEX-98) diễn ra từ 19 tháng 10 năm 1998 đến 19 tháng 4 năm 1999, nhằm thu thập dữ liệu GLONASS cho các ứng dụng địa lý và trắc địa Mục tiêu chính của IGEX-98 là xác định quỹ đạo vệ tinh GLONASS chính xác thông qua việc sử dụng máy thu GPS/GLONASS lưỡng tần số Chiến dịch này bao gồm một mạng lưới theo dõi toàn cầu với 52 trạm, trong đó có 19 máy thu lưỡng tần số và 13 máy thu đơn tần số.

Hệ thống 35 tầng cơ sở có khả năng so sánh với IGS đã được thiết lập, trong khi IGEX-98 cung cấp quỹ đạo chính xác cho tất cả các vệ tinh GLONASS đang hoạt động.

Dự án dịch vụ dẫn đường GLONASS quốc tế là một dự án kế tiếp của IGEX-

Mục tiêu chính của dự án 98 là tích hợp hệ thống vệ tinh GLONASS vào hoạt động của IGS thông qua mạng lưới IGLOS, bao gồm khoảng 50 trạm theo dõi với máy thu GPS/GLONASS lưỡng tần số Dữ liệu GLONASS được thu thập liên tục và lưu trữ dưới dạng RINEX tại trung tâm dữ liệu toàn cầu IGS Việc theo dõi GPS và GLONASS được thực hiện đồng thời, cho phép tạo ra dữ liệu quỹ đạo chính xác cho cả hai hệ thống với cấu trúc tham chiếu tương tự.

Currently, four IGS analysis centers provide accurate GLONASS orbit data, including CODE from the University of Bern in Switzerland, IAC (Information Analytical Center), ESA/ESOC (European Space Operations Center) in Germany, and BKG (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie) also in Germany.

CODE cung cấp dữ liệu quỹ đạo GLONASS cuối cùng, nhanh và dự đoán nhanh, được thể hiện trong cấu trúc tham chiếu IGb00, một phiên bản của ITRF2000 IAC, một ban của MCC (Trung tâm Kiểm soát Nhiệm vụ Nga), giám sát hiệu suất GLONASS và khởi tạo xác định xung đồng hồ cùng quỹ đạo từ dữ liệu mạng lưới theo dõi IGS từ năm 2004 Là một trong bốn trạm phân tích IGS, IAC đã cung cấp dữ liệu quỹ đạo GLONASS và xung đồng hồ từng giai đoạn từ năm 2005, bao gồm dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo cuối cùng với độ trễ 5 ngày, cùng với dữ liệu xung hồ và quỹ đạo nhanh với độ trễ 1 ngày.

ESOC đã bắt đầu quá trình xử lý và phân tích dữ liệu GNSS để xác định quỹ đạo vệ tinh chính xác từ năm 1991, sử dụng phần mềm GPSOBS/BAHN để tính toán các thông số xung đồng hồ và quỹ đạo GPS Sau đó, kết quả GLONASS được xếp thẳng vào cấu trúc tham chiếu ITRF2000, dựa trên dữ liệu quỹ đạo GPS chính xác và các ràng buộc từ 7 trạm theo dõi BKG cũng đã bắt đầu xử lý và phân tích theo dõi GPS/GLONASS từ các trạm toàn cầu kể từ khi IGEX-98 khởi động, tương tự như ESA/ESOC.

BKG đầu tiên tính toán quỹ đạo GPS và ước lượng xung đồng hồ cùng các thông số định hướng trái đất Sau đó, phần mềm Bernese được sử dụng để tạo ra quỹ đạo GLONASS chính xác và tọa độ trạm dựa trên cơ sở theo dõi pha sai phân kép Quá trình này cung cấp dữ liệu quỹ đạo GLONASS chính xác, ước lượng sai lệch hệ thống thời gian giữa GPS và GLONASS, cùng với tọa độ trạm.

Quỹ đạo GLONASS độc lập từ bốn tổ chức có thể kết hợp để tạo ra quỹ đạo IGS GLONASS cuối cùng, đạt độ chính xác khoảng 10-15cm, tương tự như các quỹ đạo IGS GPS.

Bảng 3- 3: Dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh GLONASS chính xác

Quỹ đạo / xung đồng hồ Độ chính xác Độ trễ Cập nhật Khoảng thời gian IGS cuối cùng Quỹ đạo 15 cm 2 tuần Hàng tuần 15 phút

IAC nhanh Quỹ đạo 1 ngày 15 phút

IAC cuối cùng Quỹ đạo ~ 15 cm 5 ngày 15 phút

Xung đồng hồ ~ 1.5 ns 5 phút

ESOC cuối cùng Quỹ đạo 15 phút

Hiện tại, chỉ có hai trung tâm phân tích dữ liệu là IAC và ESA/ESOC cung cấp dữ liệu xung đồng hồ GLONASS từng giai đoạn Tuy nhiên, việc so sánh trực tiếp giữa chúng gặp khó khăn do sử dụng dải thời gian tham chiếu khác nhau và sai số liên tần số khác nhau trong việc đo mã GLONASS Tiêu chuẩn giá trị xung đồng hồ GLONASS từng giai đoạn giữa IAC và ESOC được xác định ở mức 1,5 ns Do chỉ có hai trung tâm cộng tác, IGS không cung cấp sự hiểu chỉnh xung đồng hồ vệ tinh GLONASS chính xác.

Những nguồn lỗi đặc biệt

3.3.1 Sai số lệch tâm pha anten vệ tinh và máy thu

Sai số lệch tâm pha của anten vệ tinh là kết quả của sự phân cách giữa tâm khối vệ tinh và tâm pha của anten, cần được tính toán trong PPP Dữ liệu xung đồng hồ và quỹ đạo vệ tinh chính xác liên quan đến tâm khối vệ tinh, trong khi mô hình hóa quỹ đạo vệ tinh được thiết lập cho tâm khối, nhưng sự theo dõi pha sóng mang và mã trong PPP lại liên quan đến tâm pha anten Lệch tâm pha thường xảy ra với hầu hết các vệ tinh theo hướng tọa độ z hướng về trái đất và theo trục y trên mặt phẳng bao gồm mặt trời Hình 3-3 minh họa sự lệch tâm pha của anten vệ tinh.

Hình 3- 3: Lệch tâm pha anten vệ tinh

Không phải tất cả các loại vệ tinh đều cần điều chỉnh lệch tâm pha anten vệ tinh Các vệ tinh khối IIR GPS và các vệ tinh thiết kế sau này không yêu cầu hiệu chỉnh này do tính nhất quán của hai tâm Đối với vệ tinh khối II/IIA, lệch tâm pha là một giá trị không đổi được cung cấp trong bảng 3-4 Việc điều chỉnh này có thể được thực hiện thông qua phương trình được nêu dưới đây.

Xphase=Xmass+[ex ey ez] -1 [xoffset yoffset zoffset] T (3.3.1)

In the Earth Centered Earth Fixed (ECEF) coordinate system, ex represents the unit vector of the satellite-sun direction, while ez denotes the unit vector pointing towards Earth The third vector, ey, completes the right-hand coordinate system Additionally, xoffset, yoffset, and zoffset indicate the offsets within the fixed satellite coordinate system, and Xphase and Xmass correspond to the satellite coordinates related to the antenna phase center and the satellite's mass center, respectively.

Bảng 3- 4: Lệch tâm pha anten vệ tinh GPS trong dải tham chiếu cố định vệ tinh

Tương tự như GPS, lệch tâm pha của anten vệ tinh GLONASS là yếu tố quan trọng trong PPP, do sự khác biệt giữa tâm khối vệ tinh và tâm pha anten cần được xem xét.

44 trong bảng 3-5 là lệch tâm pha anten vệ tinh GLONASS trong dải tham chiếu cố định vệ tinh

Tâm pha điện của anten máy thu GNSS có thể gây ra sai lệch trong các phép đo, do đó cần tính toán lệch tâm pha trong PPP Tâm pha của anten thay đổi theo định hướng tín hiệu vệ tinh, với sự thay đổi này thường phụ thuộc vào góc nâng của vệ tinh Góc phương vị có ảnh hưởng nhỏ đến lệch tâm pha, thường do môi trường xung quanh anten Hiệu chỉnh anten được chia thành hai phần: một là hiệu chỉnh cho lệch tâm pha trung bình, và hai là hiệu chỉnh cho sự thay đổi tâm pha (PCV) theo góc nâng hoặc góc phương vị Cả hai loại hiệu chỉnh này đều cần được quản lý trong quá trình hiệu chỉnh anten.

Bảng 3- 5: Lệch tâm pha anten vệ tinh GLONASS trong dải tham chiếu cố định vệ tinh kể từ ngày 15 tháng 2 năm 2009 (m) [14]

Tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh GPS hoặc GLONASS bị phân cực tròn trên các tần số L1 và L2 có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng "phase wind up", do sự thay đổi định hướng giữa anten máy thu và anten vệ tinh Anten máy thu thường giữ cố định trong khi anten vệ tinh quay để điều chỉnh tấm pin mặt trời hướng về phía mặt trời, có thể quay tới một vòng trong thời gian dưới nửa giờ Mặc dù ảnh hưởng của phase wind up không đáng kể trong định vị khoảng cách hàng trăm km, nhưng nó trở nên quan trọng trong định vị điểm chính xác, có thể đạt tới nửa bước sóng Việc hiệu chỉnh phase wind up có thể được tính toán thông qua một phương trình cụ thể.

Trong bài viết này, k đại diện cho vector đơn vị từ vệ tinh đến máy thu, trong khi x, y, z là các vector đơn vị nội bộ Các vector tọa độ khối vệ tinh được ký hiệu là 𝑥̅, 𝑦̅, 𝑧̅ Sự hiệu chỉnh phase wind up được biểu thị bằng ∆∅, và D, D’ là các vector lưỡng cực hiệu dụng của vệ tinh và máy thu.

Nguyên tắc định vị vệ tinh dựa vào việc đo thời gian tín hiệu di chuyển từ vệ tinh đến máy thu, với tính tương đối do lực hấp dẫn và sai lệch vận tốc giữa xung đồng hồ vệ tinh và máy thu Tính tương đối này ảnh hưởng đến thời gian đo, do đó cần hiệu chỉnh trong PPP Xung đồng hồ vệ tinh chịu ảnh hưởng của hai loại hiệu ứng tương đối: tính tương đối đặc trưng và tính tương đối chung Theo nguyên lý tính tương đối đặc trưng, xung đồng hồ vệ tinh truyền đi với tốc độ không đổi nhưng có vẻ chậm hơn so với xung đồng hồ trên mặt đất do sự giãn nở thời gian từ chuyển động tương đối Việc hiệu chỉnh hiệu ứng tương đối có thể được thực hiện theo các phương pháp cụ thể.

Trong đó: ∆𝑡 𝑟 là hiệu chỉnh tính tương đối; 𝑅⃗ là vecto định vị tức thời của vệ tinh;

𝑉⃗ là vecto vận tốc tức thời của vệ tinh; c là vận tốc ánh sáng

Theo lý thuyết tương đối, xung của đồng hồ vệ tinh diễn ra nhanh hơn so với đồng hồ trên mặt đất do ảnh hưởng của trọng lực Hiệu ứng này được điều chỉnh bằng phương trình cụ thể.

Sai số trễ trọng lực (∆𝑡 𝑝) được xác định bởi công thức 𝑟 𝑠 +𝑟 𝑟 −𝑟 𝑟 𝑠, trong đó G là hằng số trọng trường, M là khối lượng của trái đất, 𝑟 𝑠 là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất, 𝑟 𝑟 là khoảng cách từ máy thu đến tâm trái đất, và 𝑟 𝑟 𝑠 là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh.

Trái đất không phải là một vật thể cố định mà phản ứng như một vật thể đàn hồi trước ảnh hưởng của lực hấp dẫn từ mặt trời và mặt trăng, gây ra hiện tượng địa triều Hiện tượng này dẫn đến sự biến dạng chu kỳ trên trái đất, làm dịch chuyển vị trí theo cả chiều ngang và dọc, có thể mô tả bằng hàm cầu điều hòa với số Love và số Shida Địa triều có ảnh hưởng khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ, tần số và thời gian quan sát, với độ cao có thể lên tới khoảng 30cm và 5cm trong mặt phẳng ngang Sự dịch chuyển do địa triều tạo ra được chia thành phần cố định và phần tuần hoàn Nếu không hiệu chỉnh địa triều, sai số định vị có thể lên tới 12,5cm trong độ cao và 5cm trong mặt phẳng ngang Phương trình hiệu chỉnh sự dịch chuyển bao gồm cả thành phần cố định và điều hòa.

∆𝑟̅ là vecto dịch chuyển vị trí trong hệ thống tọa độ Cartesian;

GM là thông số hấp dẫn của trái đất;

𝐺𝑀 𝑗 là thông số hấp dẫn của mặt trăng (j=2) và mặt trời (j=3);

R là vecto trạng thái địa tâm của trạm;

𝑅 𝑗 là vecto trạng thái địa tâm của mặt trăng (j=2) và mặt trời (j=3);

𝑟̂ là vecto trạng thái đơn vị địa tâm của trạm;

𝑅̂ 𝑗 là vecto trạng thái đơn vị địa tâm của mặt trăng (j=2) và mặt trời (j=3);

𝑙 2 là số Love bậc 2 danh nghĩa (0.609);

ℎ 2 là số không thứ nguyên Shida danh nghĩa (0.085);

∅ là vĩ độ vị trí;

𝜆 là kinh độ vị trí;

𝜃 𝑔 là giờ thiên văn trung bình tại Greenwich;

3.3.5 Sức ép thủy triều (Ocean Tide Loading)

Sự tái phân bố nước biển dưới lực hấp dẫn tạo ra sức ép lên nền biển và vùng đất kề sát, dẫn đến biến dạng nền biển và dịch chuyển bề mặt đất Thủy triều thuần túy có thể được đo bằng máy đo thủy triều và máy đo độ cao, với sự theo dõi sự lên xuống tại bờ biển dựa trên điểm chuẩn Sức ép đại dương có thành phần tuần hoàn ngày và nửa ngày, với quy mô nhỏ hơn địa triều Ảnh hưởng của sức ép này cần được tính toán trong định vị điểm động chính xác ở mức cm hoặc định vị điểm tĩnh gần biển trong thời gian dưới 24 giờ, trong khi ảnh hưởng của nó không đáng kể khi trạm ở xa bờ biển.

∆c = ∑j fj Acj cos (wjt + xj + uj - ϕcj) (3.3.8)

∆c là sự dịch chuyển gây ra bởi tải đại dương

J thể hiện 11 sóng thủy triều (M2, S2, N2 K2, K1, O1, P1, Q1, Mf, Mm, Ssa)

3.3.6 Sức ép khí quyển (Atmosphere Loading)

Sức ép khí quyển thay đổi theo thời gian và không gian, ảnh hưởng gián tiếp đến thủy triều và địa triều, dẫn đến biến dạng mặt phẳng trái đất Sự dịch chuyển do sức ép khí quyển có thể đạt tới 20mm theo phương dọc và 3mm theo phương ngang, với giá trị lớn hơn ở vùng vĩ độ trung bình so với vùng vĩ độ cao Các mô hình mô tả sự dịch chuyển này có độ phức tạp khác nhau, trong đó mô hình đơn giản được thể hiện qua một công thức cụ thể.

∆r là sự dịch chuyển do sức ép khí quyển, được đo bằng đơn vị mm p đại diện cho sự chênh lệch áp suất tại vị trí so với giá trị chuẩn là 101.3 KPA Trong khi đó, p’ là áp suất bất thường trong phạm vi 2000 km từ trạm đo.

Hiệu ứng Sagnac xảy ra do sự quay của trái đất khi tín hiệu từ vệ tinh truyền đến máy thu Khi trái đất quay, máy thu trên mặt đất di chuyển với vận tốc lên tới 500m/s tại xích đạo, tạo ra hiệu ứng này Mặc dù hiệu ứng Sagnac rất nhỏ và phức tạp, nó tỉ lệ với diện tích mà vector bán kính quét từ tâm trái đất tới các chùm tia sáng trong quá trình truyền tín hiệu, như đã được nghiên cứu bởi Parkinson và Ashby (1996).

Trong đó Ωe là vận tốc góc của trái đất (WGS-84);

MÔ HÌNH KẾT HỢP ĐỊNH VỊ ĐIỂM CHÍNH XÁC GPS VÀ

SỰ ƯỚC TÍNH VỊ TRÍ, VẬN TỐC, THỜI GIAN

PHÂN TÍCH SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CHÊNH LỆCH THỜI GIAN HỆ THÔNG GPS-GLONASS