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


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

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 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


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


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


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


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


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


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


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

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

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

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.

- 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

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.


7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN VÀ PHẦN MỀM
XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS
1.1 Các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài
1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về thuật toán
Công nghệ GPS nói riêng và công nghệ GNSS nói chung đang được ứng
dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Để có các kết quả như vậy, đã có rất
nhiều các nghiên cứu sâu, rộng về chế tạo vệ tinh, chế tạo máy thu, thuật toán giải
các bài toán cũng như xây dựng các phần mềm xử lý số liệu GNSS. Từ các kết quả
nghiên cứu đó, ứng dụng của GNSS hiện nay đã hình thành các quy trình khép kín
từ phần cứng đến phần mềm. Cũng từ các nghiên cứu đó, rất nhiều các công trình

đối động. Do đặc điểm của bài toán tương đối tĩnh là có nhiều trị đo, xử lý sau cho
nên phương pháp số bình phương nhỏ nhất thường được dùng để giải bài toán này.
Trong giải bài toán định vị tương đối tĩnh, một vấn đề rất quan trọng phải được thực
hiện đó là ước lượng phương sai cho các trị đo. Tùy thuộc vào phần mềm xử lý số
liệu mà trị đo được sử dụng có thể chỉ là các trị đo pha sóng tải [89] hoặc sử dụng
đồng thời trị đo pha sóng tải và trị đo khoảng cách giả theo mã [93], [94]. Bài toán
định vị tương đối động, do đặc thù có ít trị đo (chỉ có 1 tập hợp không nhiều trị đo
nếu là phương pháp RTK), để giải được bài toán này cần phải sử dụng cả trị đo
khoảng cách giả theo mã, trị đo pha sóng tải và giải nghiệm sử dụng phép lọc
Kalman [96]. Ngoài các bài toán định vị truyền thống, các bài toán khác cũng đã
được trình bày như bài toán định vị với trạm CORS [47], xác định các yếu tố đặc
trưng cho tầng khí quyển như PWV, TEC [76]; xử lý kết hợp số liệu GNSS/INS, kết
hợp số liệu GNSS với đo cao vệ tinh [76] …
Bên cạnh các tài liệu cung cấp tổng hợp kiến thức về GNSS, có các tài liệu
cung cấp kiến thức về một nội dung chuyên biệt như [78] chỉ bàn về vấn đề giải số
nguyên đa trị. Tác giả Verhagen.S trong [78] đã thống kê các phương pháp giải số
nguyên đa trị như trong bảng 1.1.


9

Bảng 1.1 Thống kê các phương pháp giải số nguyên đa trị
Tên phương pháp
Viết tắt
Kỹ thuật giải số nguyên đa trị theo LSAST
phương pháp số bình phương nhỏ nhất
Phương pháp giải nhanh số nguyên đa trị FARA
Cải tiến phân tách Cholesky
Bình sai tương quan số nguyên đa trị LAMBDA
theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Kim và Langley (1999)
Jung và những người khác
(2000)

Vì tổng hợp các kết quả nghiên cứu đã có trước đó nên nội dung trình bày
trong các cuốn sách thường là muộn hơn so với thời điểm công bố các thuật toán cụ
thể (đơn lẻ). Thông thường, khi có các thuật toán mới được đề xuất, vấn đề đó sẽ
được công bố trên các tạp chí hoặc các hội nghị khoa học lớn về chuyên ngành.
Thuật toán giải các bài toán định vị tuy được công bố rộng rãi trên rất
nhiều các công trình khác nhau nhưng thông tin chỉ mang tính tổng quát và
không phải lúc nào cũng có thể làm theo được. Thông thường, các thuật toán
sau khi được nghiên cứu sẽ được chuyển giao để chuyển thành các sản phẩm
thương mại hóa, có bản quyền.
Tính cho đến thời điểm hiện tại, định vị tương đối đã cho độ chính xác rất
cao nên ở nước ngoài các nghiên cứu về xử lý số liệu GNSS tập trung vào nâng cao


10

độ chính xác định vị PPP tức thời, định vị GNSS - indoor, GNSS-R và thuật toán xử
lý số liệu GNSS trên các thiết bị thông minh … [76].
1.1.2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm
Dựa trên các thuật toán đã được xây dựng, rất nhiều các phần mềm xử lý số
liệu GNSS đã được xây dựng và được chia thành các nhóm như sau:
a. Nhóm các phần mềm thông dụng
Mỗi hãng khi chế tạo máy thu đều xây dựng cho mình phần mềm xử lý số
liệu đo đạc. Có thể kể đến một số phần mềm trong nhóm này như sau:
- Hãng Trimble (Mỹ): GPSurvey, TGO (Trimble Geomatic Office), TTC
(Trimble Total Control), TBC (Trimble Business Center).
- Hãng Topcon (Nhật Bản): Pinacle, TOPSurvey, Topcon Tool.