Nghiên cứu định vị tư thế bằng phương thức định vị GNSS đa anten

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CAO THỊ TRANG NGHIÊN CỨU ĐỊNH VỊ TƢ THẾ BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ VỆ TINH GNSS ĐA ANTEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PSG.TS.
- Tổng quan về hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (GPS.
- Cấu trúc hệ thống GPS.
- Cấu trúc tín hiệu GPS.
- Các ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Định vị sai khác.
- XÁC ĐỊNH VÀ MÔ PHỎNG TƢ THẾ GNSS.
- Nguyên lý về tƣ thế.
- Tính toán vị trí vệ tinh.
- Lựa chọn đƣờng cơ sở và vị trí ăng-ten.
- Sử dụng các liên kết đƣờng cơ sở.
- Mô phỏng tƣ thế GNSS.
- Sơ đồ thuật toán xác định tƣ thế GNSS.
- Xin cam đoan nội dung đề tài “Nghiên cứu định vị tư thế bằng phương thức định vị vệ tinh GNSS đa anten” là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện dƣới dự hƣớng dẫn của thầy giáo PGS.TS.
- Học viên Cao Thị Trang III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DCM Direction Cosine Matrix DLL Delay Lock Loop ECEF Earth Centre Earth Fixed EKF Extended Kalman Filter GLONASS Global‟naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema GNSS Global Navigation Satelite System GPS Global Positioning System ICD Interface Control Document IMU Inertial Measurement Unit INS Inertial Navigation System LLI Loss of Lock Indicator MEO Medium Earth Orbit PLL Phase Lock Loop PPM Proportional Pulse Modulation QEP Quadratic Eigenvalue Problem RINEX Receiver Independent Exchange RMS Root Mean Square SNR Signal to Noise Ratio UAV Unmanned Aerial Vehicle IV MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất.
- 3 Hình 1.2: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS.
- 4 Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh GPS.
- 5 Hình 1.4: Vị trí các trạm điều khiển và giám sát của hệ thống GPS.
- 7 Hình 1.5: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS.
- 8 Hình 1.6: Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS.
- 8 Hình 1.8: Các nguồn tác động khác nhau gây ra sai số trong phép đo cự ly.
- 11 Hình 2.1: Phƣơng pháp đo sai pha sóng mang đa ăng-ten.
- 19 Hình 2.2: Quan sát hình học.
- 29 Hình 2.3: Sơ đồ thuật toán LAMBDA.
- 31 Hình 3.1: Khung thân.
- 35 Hình 3.2: Trục khung cảm biến, trục khung thân.
- 35 Hình 3.3: Khung cấp cục bộ.
- 36 Hình 3.4: Phƣơng pháp „tìm kiếm và mở rộng.
- 53 Hình 3.5: Lƣu đồ thuật toán xác định tƣ thế GNSS.
- 55 Hình 3.6: Lƣu đồ giao diện mô phỏng tƣ thế GNSS.
- 56 Hình 3.7: Giao diện làm việc.
- 57 Hình 3.8: Đọc và phân tích tệp RINEX.
- 59 Hình 3.10: Làm mịn pha sóng mang.
- 59 Hình 3.11: Quá trình định vị ăng-ten chủ.
- 59 Hình 3.12: Quá trình xử lý sai khác.
- 60 Hình 3.13: Ƣớc tính nguồn lỗi của đƣờng cơ sở giữa các cặp ăng-ten.
- 61 Hình 3.14: Quá trình ƣớc tính tƣ thế bằng phép bình phƣơng tối thiểu.
- 62 Hình 3.15: Ba tham số về tƣ thế đƣợc xác định dựa trên.
- 62 V LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây thông tin vệ tinh trên thế giới đã có những bƣớc tiến vƣợt bậc đáp ứng nhu cầu đời sống, đƣa con ngƣời nhanh chóng tiếp cận với các tiến bộ khoa học kỹ thuật.
- Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS/GPS (Global Navigation Satellite System) từ khi ra đời đã hỗ trợ con ngƣời trong việc xác định vị trí, hƣớng đi, xây dựng các loại bản đồ, quan trắc và phục vụ nhiều mục đích khác.
- Cùng với đó, những yêu cầu ngày càng cao của ngƣời sử dụng trong việc nâng cao tính chính xác của các dịch vụ đã thúc đẩy nhiều công nghệ mới ra đời: nhƣ định vị tƣ thế bằng phƣơng pháp định vị vệ tinh GNSS đa ăng-ten, định vị sử dụng hệ thống GNSS lƣỡng tần số.
- định vị sử dụng bộ thu GPS và mems IMU … Chính vì vậy học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu định vị tư thế bằng phương thức định vị vệ tinh GNSS đa anten”.
- Theo đó, học viên xin trình bày những vấn đề cơ bản của định vị tƣ thế GNSS đa ăng-ten, các phƣơng thức, thuật toán trong quá trình định vị tƣ thế, xây dựng chƣơng trình mô phỏng trên phần mềm Matlab.
- Chƣơng 3: Xác định và mô phỏng tƣ thế GNSS.
- Tính cấp thiết Hiện nay các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh (GNSS) đang đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ định vị vị trí chính xác của đối tƣợng, sử dụng trong hàng không vũ trụ, giao thông thông minh, giám sát tốc độ, cảnh báo sóng thần,… Nhờ có sự phát triển của công nghệ thông tin cùng với những bƣớc tiến mạnh mẽ của ngành viễn thông đã giúp đơn giản hóa đi rất nhiều khó khăn thông qua hệ thống định vị toàn cầu GPS.
- Với mục đích nghiên cứu một nhánh phát triển của công nghệ GPS trong lĩnh vực định vị vị trí của một đối tƣợng nào đó, tôi đã đề xuất đƣợc phép nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu định vị tư thế bằng phương thức định vị vệ tinh GNSS đa anten”.
- Ngày nay, không chỉ riêng ở các nƣớc phát triển mà các nƣớc đang trên đà phát triển việc sử dụng một hệ thống định vị là rất quan trọng cả về quân sự, dân sự và trong tất cả các lĩnh vực khác của một quốc gia.
- Vì vậy vấn đề cấp thiết đặt ra là xây dựng một hệ thống giám sát và định vị tƣ thế của đối tƣợng nào đó để có thể theo dõi khi cần thiết.
- Các vấn đề cần giải quyết của luận văn Với mục đích thiết kế một mô hình định vị tƣ thế bằng phƣơng thức định vị vệ tinh GNSS đa ăng-ten trong việc định vị vị trí của đối tƣợng bất kỳ thì các vấn đề cần giải quyết của luận văn bao gồm.
- Xây dựng, thiết kế giao diện GUI định vị tƣ thế trên phần mềm Matlab - Giải quyết các nguồn lỗi gây ra - Phát hiện sự dịch chuyển là cần thiết nếu không giải quyết đƣợc các bất định trong một giai đoạn đơn nhƣng giai đoạn đơn có thể không đạt đƣợc tỷ lệ thành công cao trong khi cố gắng tìm kiếm các tham số bất định chính xác.
- Sử dụng các phép vi sai để giải quyết vấn đề về nguồn lỗi trong hệ thống - Để định vị tƣ thế một cách chính xác cần giải quyết các bất định số nguyên bằng thuật toán LAMBDA.
- Tổng quan về hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS (GPS) 1.2.1.
- hệ thống định vị toàn cầu, là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo.
- Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định đƣợc khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính đƣợc toạ độ của vị trí đó.
- GPS là hệ dẫn đƣờng dựa trên một mạng lƣới 24 vệ tinh đƣợc đặt trên quỹ đạo không gian, hoạt động dựa trên các trạm phát tín hiệu vô tuyến điện.
- Đƣợc biết nhiều nhất là các hệ thống có tên gọi LORAN (LOng RAnge Navigation) hoạt động ở dải tần 90-100 KHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN (Tactical Air Navigation) dùng cho quân đội Mỹ và biến thể với độ chính xác thấp VOR/DME (Very High Frequency Omnidirectional Range/Distance Measuring Equipment) dùng cho hàng không dân dụng.
- Gần nhƣ đồng thời với lúc Mỹ phát triển GPS, Liên Xô cũng phát triển một hệ thống tƣơng tự với tên gọi GLONASS.
- Hiện nay Liên minh châu Âu đang phát 3 triển hệ dẫn đƣờng vệ tinh của mình mang tên Galileo, Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên Bắc Đẩu bao gồm 35 vệ tinh.
- Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất.
- Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lƣợng giác tính đƣợc chính xác vị trí của ngƣời dùng.
- Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu đƣợc phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận đƣợc chúng.
- Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa.
- Rồi với nhiều quãng cách đo đƣợc tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính đƣợc vị trí của ngƣời dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.
- Máy thu GPS phải khoá đƣợc với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi đƣợc chuyển động.
- Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính đƣợc vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao).
- Hình 1.1: Hệ thống vệ tinh quay quanh trái đất 4 1.2.2.
- Cấu trúc hệ thống GPS Hệ thống định vị toàn cầu GPS đƣợc cấu thành từ ba phân đoạn: Phân đoạn không gian, kiểm soát và sử dụng [9].
- Phân đoạn các vệ tinh trong không gian có nhiệm vụ nhận các thông tin từ trạm điều khiển trên mặt đất và phát đi các tín hiệu vô tuyến định vị có tần số khoảng 1.5 GHz.
- Tín hiệu này chứa các dữ liệu định vị đƣợc trạm điều khiển từ mặt đất truyền đến.
- Phân đoạn các trạm điều khiển trên mặt đất dùng để quan trắc các vệ tinh, tính toán các thông số quỹ đạo, thông số hiệu chỉnh đồng hồ sau đó phát các thông tin cập nhật và các lệnh điều khiển tới mỗi vệ tinh.
- Phân đoạn các máy thu có chức năng thu thập dữ liệu từ các vệ tinh để tính ra tọa độ của chúng dựa vào các thông tin mà chúng nhận đƣợc từ các tín hiệu mà nó quan trắc đƣợc trên mỗi vệ tinh.
- Hình 1.2: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của GPS a.
- Các vệ tinh này đƣợc nhóm vào 6 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo nghiêng 055so với mặt phẳng xích đạo nên không có quỹ đạo nào đi trực tiếp qua các cực.
- Các vệ tinh chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ [1].
- Các vệ tinh trên quỹ đạo đƣợc bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào.
- Các vệ tinh đƣợc cung cấp bằng năng lƣợng mặt trời.
- Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
- Hình 1.3: Quỹ đạo vệ tinh GPS Trên mỗi quỹ đạo chứa một số vệ tinh nhất định.
- Tại một thời điểm luôn có 24 vệ tinh hoạt động cho mục đích định vị và con số này có thể lên đến 27 hoặc 28.
- Mục tiêu của hệ thống là cho phép một vị trí bất kỳ nào trên trái đất cũng có thể nhìn thấy ít nhất bốn vệ tinh tại một thời điểm và trong thực tế, số vệ tinh có thể nhìn thấy đƣợc nhiều hơn rất nhiều so với con số này, thỉnh thoảng số vệ tinh nhìn thấy đƣợc có thể lên con số là 12 vệ tinh.
- Mỗi vệ tinh sẽ phát đi các tín hiệu vô tuyến, các tín hiệu này đƣợc “làm dấu” bởi những mã nhận dạng đơn nhất.
- Các đồng hồ nguyên tử với độ chính xác rất cao đƣợc gắn trên mỗi vệ tinh sẽ điều khiển việc phát đi những tín hiệu và mã này.
- Mảng vệ tinh có nhiệm vụ thu nhận và lƣu trữ các thông tin từ mảng điều khiển trên mặt đất truyền đến, thực hiện các xử lý dữ liệu có chọn lọc, duy trì thời gian chính xác và phát thông tin xuống cho mảng ngƣời sử dụng.
- Quan sát chuyển động của vệ tinh và tính toán dữ liệu quỹ đạo.
- Giám sát đồng hồ vệ tinh và dự đoán thay đổi của nó.
- Đồng bộ thời gian của đồng hồ vệ tinh.
- Phát đi dữ liệu gần đúng quỹ đạo vệ tinh.
- Hệ thống GPS đƣợc vận hành và điều khiển bởi Bộ Quốc phòng Mỹ (U.S Department Defense) thông qua 5 trạm giám sát đặt trên mặt đất bao gồm một trạm chủ (Master Control Station) ở Colorado Spring bang Colarado và bốn trạm giám sát (monitor stations) và ba trạm hỗ trợ (Upload station).
- Các trạm giám sát thực hiện quan trắc các vệ tinh một cách liên tục và cung cấp dữ liệu quan trắc đƣợc về cho trạm chủ.
- Trạm chủ sẽ tính các hiệu chỉnh để đồng bộ các đồng hồ nguyên tử trên các vệ tinh và nó cũng duyệt lại các thông tin về quỹ đạo, kiểm tra tình trạng của mỗi vệ tinh.
- Các trạm hỗ trợ sử dụng các thông tin đƣợc cung cấp bởi trạm chủ để cập nhật cho từng vệ tinh riêng lẽ.
- 7 Hình 1.4: Vị trí các trạm điểu khiển và giám sát của hệ thống GPS c.
- Phân đoạn sử dụng hệ thống GPS Mảng sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu, máy tính thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phƣơng tiện chuyển động nhƣ ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa.
- Cấu trúc tín hiệu GPS Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu.
- Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ.
- Về mặt vật lý, cấu trúc tín hiệu vệ tinh bao gồm: Tần số cơ bản, sóng mang L1 và sóng mang L2, các mã giả khoảng cách P, C/A, và bản lịch vệ tinh (dữ liệu thông điệp phát tín hiệu hàng hải).
- Các mã giả khoảng cách và dữ liệu bản lịch đƣợc điều chế trên các kênh sóng mang để truyền đến máy thu ngƣời sử dụng theo sơ đồ nguyên lý sau: 8 Hình 1.5: Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS Hình 1.6: Cấu trúc dữ liệu vệ tinh GPS a.
- Tần số cơ bản Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là 010,23f MHz.
- Các thông tin điều biến Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt.
- Máy thu GPS nhận dạng đƣợc tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác định của không

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt