Luận án Nghiên cứu giải pháp tích hợp hệ thống GNSS/INS trên thiết bị thông minh ứng dụng trong trắc địa - Bản đồ

uyến phía đông 90o.
c) Hệ tọa độ định vị cục bộ
Hệ tọa độ địa phương (n-frame) gồm các hệ hệ tọa độ địa phương, hệ tọa
độ quốc gia, hệ tọa độ phẳng trong trắc địa. Gốc của nó là một điểm mà giải
pháp định vị mong muốn (Ví dụ, trong bản đồ địa hình của Việt Nam thì quy
ước theo hệ VN-2000, trong trắc địa công trình thì có thể quy ước theo một
điểm ở tâm công trình,...).
Hình 2.4 biểu thị các trục của hệ tọa độ định vị cục bộ. Trục z, hay còn
được gọi là trục Xuống (D), thông thường được định nghĩa là đối với bề mặt
40
z e
y ex
e
o
e
0° 90°E
Hình 2.3: Các trục của hệ ECEF [15]
của ellipsoid tham chiếu, chỉ về phía trung tâm trọng lượng Trái Đất, trùng với
phương của véc-tơ trọng lực. Thực tế, trọng lượng thật sự lệch một chút do dị
thường cục bộ. Trục x, hay trục Bắc (N), là phép chiếu trong mặt phẳng trực
giao đến trục z của đường từ người dùng tới cực bắc. Khi tạo thành bộ trực
giao, trục y luôn hướng về phía đông và do đó được gọi là trục Đông (E).
z
n( )D yn(E)
x
n( )N
o
n
Hình 2.4: Các trục của hệ NED [15]
Bắc, Đông, Xuống quy ước là NED, là hình thức phổ biến nhất của hệ
định vị cục bộ trong bài toán định vị tích hợp và sẽ luôn được sử dụng ở đây.
41
Tuy nhiên, cũng có các dạng khác đang sử dụng, chẳng hạn như x = Đông, y
= Bắc, z = Lên quy ước là ENU , và x = Nam, y = Tây, z = Xuống quy ước
là SWD. Hệ cục bộ rất quan trọng trong định vị dẫn đường bởi vì người dùng
muốn biết tư thế của họ liên quan đến hướng Bắc, Đông và Xuống. Đối với vị
trí và vận tốc, nó cung cấp một bộ trục giải quyết thuận tiện nhưng không được
sử dụng làm hệ tham chiếu.
Một hạn chế lớn của hệ vị cục bộ là có một điểm kỳ dị ở mỗi cực bởi vì
các trục Bắc và Đông là không xác định ở đó. Do đó, phương trình định vị được
cơ giới hoá bằng hệ này không thích hợp để sử dụng gần các cực. Thay vào đó,
sử dụng một hệ khác để thay thế cho việc chuyển đổi giữa giải pháp định vị
sang hệ định vị cục bộ ở cuối chuỗi xử lý.
d) Hệ tọa độ vật thể
Trong tài liệu này, các phương tiện di chuyển được gắn cảm biến quán
tính nói chung gọi là vật thể. Hệ tọa độ vật thể (b-frame) bao gồm gốc và định
hướng của đối tượng mà một giải pháp định vị mong muốn. Gốc trùng khớp với
gốc của hệ định vị cục bộ, nhưng các trục vẫn cố định đối với thân và thường
được định nghĩa là x = phía trước (tức là hướng di chuyển thông thường), z =
xuống (tức là hướng thông thường của trọng lực cục bộ), và y = phải, tạo thành
bộ trực giao. Đối với chuyển động góc, trục x là trục lăn hay nghiêng (roll),
trục y là trục chúc hay ngóc (pitch), và trục z là trục định hướng (yaw). Do đó,
các trục của thân vật thể đôi khi được gọi là roll, pitch, yaw. Hình 2.5 minh họa
hệ trục này. Một quy tắc cuộn lòng bàn tay phải được áp dụng để định nghĩa
hướng quay, nhờ đó nếu trục hướng ra thì nhận được một góc dương.
Hệ tọa độ vật thể là cần thiết trong định vị dẫn đường bởi vì nó mô tả
đối tượng đang điều hướng. Tất cả các cảm biến quán tính đều đo chuyển động
của thân vật thể (đối với một khung quán tính chung).
Ký hiệu b được sử dụng để biểu thị hệ tọa độ vật thể là đối tượng quan
42
z b(down, yaw)
y b (right, pitch)
o b
xb (forward, roll)
Hình 2.5: Các trục của hệ vật thể b [15]
tâm chính. Tuy nhiên, trong bài toán định vị liên quan đến nhiều vật thể, mỗi
vật thể có hệ tọa độ riêng sẽ có các ký hiệu thay thế, chẳng hạn như s cho cảm
biến và a cho ăng-ten cần phải được sử dụng.
2.3.2 Động học Trái Đất
Trong định vị dẫn đường, chuyển động tuyến tính và góc trong một hệ
phải được mô tả so với đối tượng khác. Hầu hết các đại lương động học, chẳng
hạn như vị trí, tốc độ, gia tốc, và tốc độ góc, liên quan đến ba hệ tọa độ chính:
• Hệ mà mô tả chuyển động, được gọi là hệ đối tượng α;
• Hệ mà chuyển động đó là đối tượng, được gọi là hệ tham chiếu β;
• Hệ mà trong đó chuyển động được biểu diễn, gọi là hệ giải quyết γ.
Hệ đối tượng α, và hệ tham chiếu β phải khác nhau, nếu không sẽ không
có chuyển động. Hệ giải quyết γ có thể là hệ đối tượng, hệ tham chiếu hay hệ
thứ ba. Để mô tả đầy đủ các đại lượng động học này cần phải mô tả rõ cả ba hệ
để tránh nhầm lẫn. Ở đây, các ký hiệu được sử dụng cho vị trí Đề-các-tơ, vận
tốc, gia tốc, và tốc độ góc:
xγβα
43
trong đó véc-tơ x, mô tả một thuộc tính động học của hệ α liên quan đến hệ
β, được biểu diễn trong hệ γ. Đối với tư thế, chỉ có hệ đối tượng α, và hệ tham
chiếu β có liên quan; Không có hệ giải quyết.
Phần này bắt đầu bằng cách mô tả các hình thức đại diện tư thế khác
nhau: góc Euler, ma trận chuyển đổi tọa độ, tư thế quaternion, và các véc-tơ
quay. Tất cả các phương pháp đại diện cho tư thế để hoàn thành hai chức năng.
Chúng mô tả sự định hướng của một hệ tọa độ này đối với một hệ tọa độ khác
(ví dụ: hệ đối tượng đối với hệ tham chiếu). Chúng cũng cung cấp một cách
thức để chuyển đổi một véc-tơ từ một hệ trục giải quyết sang một hệ trục khác.
Sau đó, tốc độ góc, vị trí Đề-các-tơ (ngược lại với đường cong), vận tốc và gia
tốc được mô tả. Trong việc xác định vận tốc và gia tốc, điều quan trọng là phải
tính chính xác cho bất kỳ vòng quay nào của hệ tham chiếu và hệ giải quyết.
a) Tư thế Euler
Các góc Euler là cách diễn đạt trực quan nhất về tư thế, đặc biệt là hệ
tọa độ vật thể đối với hệ tọa độ định vị cục bộ tương ứng. Tư thế được chia
thành ba vòng xoay liên tiếp. Điều này có thể được minh họa bởi sự biến đổi
của một véc-tơ x = (x, y, z), từ các hệ trục giải quyết β thành hệ trục thứ hai α.
Hình 2.6 cho thấy ba vòng quay bao gồm sự chuyển đổi.
Vòng quay đầu tiên ψβα, là vòng quay hướng. Điều này được thực hiện
bởi trục z chung của hệ β và hệ trung gian đầu tiên. Nó biến đổi các thành phần
x và y của véc-tơ, nhưng để lại thành phần z không thay đổi. Véc-tơ kết quả
được giải quyết bởi các trục của khung trung gian thứ nhất, được biểu thị bằng
chỉ số trên ψ:
xψ = xβ cosψβα + y
β sinψβα
yψ = −xβ sinψβα + yβ cosψβα
zψ = zβ
(2.1)
Tiếp theo là vòng quay ngóc θβα, được thực hiện bởi trục y chung của hệ
44
trung gian thứ nhất và thứ hai. Ở đây, các thành phần x và z của véc-tơ được
chuyển đổi, kết quả là một véc-tơ được giải quyết bởi các trục của hệ trung gian
thứ hai, được biểu thị bằng số trên θ:
xθ = xψcosθβα − zψsinθβα
yθ = yψ
zθ = xψsinθβα + z
ψcosθβα
(2.2)
Cuối cùng, vòng quay cuộn, φβα, được thực hiện bởi trục x chung của hệ
trung gian thứ hai và hệ α, chuyển đổi các thành phần y và z của véc-tơ, kết
quả là một véc-tơ được giải quyết bởi các trục của hệ β, được biểu thị bằng chỉ
số trên φ
xφ = xθ
yφ = yθcosφβα + z
θsinφβα
zφ = −yθsinφβα + zθcosφβα
(2.3)
Hình 2.6: Các góc Euler [15]
Mặc dù dễ dàng hơn để minh hoạ các góc Euler về chuyển đổi các trục
giải quyết của một vector, các phép quay roll, pitch và yaw φβα, θβα , và ψβα,
tương ứng mô tả hướng của hệ đối tượng α đối với hệ tham chiếu β. Trong
trường hợp cụ thể, khi các góc Euler mô tả tư thế hệ vật thể đối với hệ định
vị cục bộ, chuyển động roll φnb được gọi là liệng hay bank, chuyển động pitch
45
θnb, được gọi là chúc hay elevation, chuyển động yaw ψnb, được gọi là hướng hay
heading. Một số tác giả sử dụng thuật ngữ tư thế chỉ để mô tả liệng và chúc,
không bao gồm hướng. Liệng và chúc cũng được gọi chung là độ nghiêng hay
tilts. Ở đây, tư thế luôn mô tả cả ba thành phần của định hướng.
Góc quay Euler từ hệ β sang hệ α có thể được ký hiệu bởi véc-tơ 2.4
Ψβα =


φβα
θβα
ψβα

 (2.4)
lưu ý rằng các góc Euler được liệt kê theo thứ tự ngược lại với vị trí mà chúng
được áp dụng. Thứ tự mà ba vòng quay được thực hiện là rất quan trọng.
Phép quay Euler (φβα+pi, pi−θβα, ψβα+pi) cho kết quả tương tự như phép
quay Euler (φβα, θβα, ψβα).
Do đó, để tránh trùng lặp các tập các góc Euler đại diện cho cùng một
tư thế, một quy ước được thông qua để hạn chế xoay góc quay θ đến phạm vi
−90o ≤ θ ≤ 90o. Một thuộc tính khác của góc Euler là các góc quay quanh trục
roll và góc quay yaw thường không trực giao, mặc dù cả hai đều trực giao với
trục quay pitch.
Các đại lượng đo được từ cảm biến tốc độ góc được quy ước bao gồm:
Tốc độ góc theo trục x (p), Tốc độ góc theo trục y (q) và Tốc độ góc theo trục
z (r). Góc quay Euler từ hệ β sang hệ α có thể được định nghĩa:

φ˙
θ˙
ψ˙


βα
=


1 sinφ tan θ cosφ tan θ
0 cosφ − sinφ
0 sinφ/ cos θ cosφ/ cos θ


βα


p
q
r

 (2.5)
Bằng cách lấy tích phân phương trình 2.5 có thể suy ra giá trị gần đúng các góc
46
Euler sử dụng các điều kiện tư thế ban đầu đã biết như sau:
φt+∆t = φt + φ˙t∆t
θt+∆t = θt + θ˙t∆t
ψt+∆t = ψt + ψ˙t∆t
Tuy nhiên, với góc θ khoảng ±90o, sai số sẽ vượt quá giới hạn do tan θ có xu hướng
tiến tới vô cùng. Vấn đề này đã được giải quyết bằng Quaternion trong bài toán
xác định tư thế hệ thống Strapdown [41, Strapdown Attitude Implementations,
tr.90] như thể hiện ở Hình 2.7.
b) Tư thế Quaternion
Quaternion là một số phức có bốn chiều trong đó ba thành phần ảo dùng
để đại diện cho hướng của phương tiện chuyển động trong không gian ba chiều
[33]. Một định hướng bất kỳ của hệ β so với hệ α có thể hình thành thông qua
một góc θ xoay quanh trục αrˆ trong hệ quy chiếu α như thể hiện ở Hình 2.8,
trong đó các trục trực giao xˆα, yˆα, zˆα và xˆβ, yˆβ, zˆβ tương ứng cho hai hệ α và
β. Quaternion trong trường hợp này là αβ qˆ và được định nghĩa như phương trình
2.8, trong đó rx, ry, rz là các thành phần véc-tơ đơn vị αrˆ của trục x, y, z tương
ứng trong hệ α. Chỉ số trên phía trước ký hiệu biểu thị hệ đang được mô tả hay
hệ đối tượng và chỉ số dưới phía trước biểu thị hệ này có liên quan hay hệ tham
chiếu. Ví dụ, αβ qˆ cho biết hướng của hệ β so với hệ α và αrˆ là véc-tơ được mô tả
trong hệ α [33].
Hình 2.7: Mô tả bài toán tư thế trong hệ Strapdown [41]
47
Quaternion quy định các véc-tơ phải là véc-tơ đơn vị do đó khi mô tả
định hướng, các véc-tơ cần phải được chuẩn hóa thành véc-tơ đơn vị. Nghĩa là
tại một thời điểm luôn phải thỏa mãn điều kiện:
q0
2 + q1
2 + q2
2 + q3
2 = 1 (2.6)
Do đó, trong khi tính toán cần chuẩn hóa theo công thức 2.7.
q0 =
q0√
q02 + q12 + q22 + q32
q1 =
q1√
q02 + q12 + q22 + q32
q2 =
q2√
q22 + q12 + q22 + q32
q3 =
q3√
q02 + q12 + q22 + q32
(2.7)
α
β qˆ =
[
q0 q1 q2 q3
]
=
[
cos θ2 −rx sin θ2 −ry sin θ2 −rz sin θ2
]
(2.8)
Liên hợp của quaternion ký hiệu là ∗ và chúng được dùng để chuyển
đổi qua lại giữa các hệ từ một định hướng. Ví dụ βαqˆ là liên hợp của αβ qˆ và mô
tả định hướng của hệ α so với hệ β. Liên hợp của αβ qˆ được định nghĩa như công
thức 2.9
α
β qˆ
∗ =βα qˆ =
[
q0 −q1 −q2 −q3
]
(2.9)
Tích của quaternion được ký hiệu là ⊗ có thể được dùng để định nghĩa
hai hướng phức hợp. Ví dụ hai hướng được mô tả là αβ qˆ và
β
γ qˆ, phức hợp của
hướng αγ qˆ có thể được định nghĩa theo phương trình 2.10
α
γ qˆ =
β
γ qˆ ⊗αβ qˆ (2.10)
Ví dụ cho hai quaternion a và b, tích của hai quaternion được xác định theo quy
tắc Hamilton định nghĩa như công thức 2.11. Phép nhân quaternion không có
48
y^ A
y^B
A r^
x^Bx^A
µ
z^Az^B
Hình 2.8: Định hướng của hệ β so với hệ α xoay quanh trục αrˆ [33]
tính giao hoán, nghĩa là a⊗ b 6= b⊗ a.
a⊗ b =
[
a0 a1 a2 a3
]
⊗
[
b0 b1 b2 b3
]
=


a0b0 − a1b1 − a2b2 − a3b3
a0b1 + a1b0 + a2b3 − a3b2
a0b2 − a1b3 + a2b0 + a3b1
a0b3 + a1b2 − a2b1 + a3b0


T
(2.11)
Một véc-tơ ba chiều có thể quay bởi một quaternion sử dụng mối quan hệ được
mô tả trong công thức 2.12 [16]. αυ và βυ là cùng một véc-tơ mô tả trong hệ α
và hệ β tương ứng, trong đó mỗi véc-tơ được thêm số 0 vào phần tử đầu tiên để
tạo thành 4 phần tử.
βυ =αβ qˆ ⊗α υ ⊗αβ qˆ∗ (2.12)
Định hướng mô tả bởi αβ qˆ có thể được biểu diễn theo ma trận quay αβR theo công
thức 2.13 [16]
α
βR =


2 q0
2 + 2 q1
2 − 1 2 q0 q3 + 2 q1 q2 −2 q0 q2 + 2 q1 q3
−2 q0 q3 + 2 q1 q2 2 q02 + 2 q22 − 1 2 q0 q1 + 2 q2 q3
2 q0 q2 + 2 q1 q3 2 q0 q1 + 2 q2 q3 2 q0
2 + 2 q3
2 − 1

 (2.13)
Ba góc Euler Góc liệng (Roll) (φ), Góc chúc (Pitch) (θ) và Góc hướng
(Yaw hoặc Heading) (ψ) mô tả định hướng của hệ β có được nhờ phép quay
tuần tự so với hệ α. Góc φ quanh trục xˆβ, góc θ quanh trục yˆβ và góc ψ quanh
49
trục zˆβ. Ba góc Euler thể hiện bởi αβ qˆ được định nghĩa bởi công thức 2.14.
φ = atan2(2 q0 q1 + 2 q2 q3, 2 q02 + 2 q32 − 1)
θ = asin(2 q0 q2 − 2 q1 q3)
ψ = atan2(2 q0 q3 + 2 q1 q2, 2 q02 + 2 q12 − 1)
(2.14)
2.4 Hệ thống dẫn đường quán tính
INS là một hệ thống định vị không gian ba chiều hoàn chỉnh gồm các cảm
biến gia tốc và cảm biến tốc độ góc dùng để xây dựng IMU giúp xác định tư thế
phương tiện chuyển động, đồng thời cảm biến gia tốc sẽ giúp xác định sự thay
đổi vận tốc theo thời gian dọc theo ba trục của IMU. IMU thường được gắn trên
các phương tiện chuyển động như Tên lửa, Máy bay, Tàu thủy, Ô-tô, Máy bay
không người lái - Unmanned Aerial Vehicle (UAV) hay trên cơ thể người trong
các ứng dụng phục hồi chức năng. Bộ xử lý điều hướng kết hợp với đầu ra của
IMU cho ra tư thế, vận tốc và vị trí của phương tiện chuyển động như thể hiện
ở Hình 2.9, sơ đồ bộ xử lý dẫn đường quán tính Hình 2.10. Tư thế của phương
tiện chuyển động bao gồm Góc liệng (Roll) đo sự chòng chành của phương tiện,
Góc chúc (Pitch) đo sự chúc xuống hay ngóc lên của phương tiện và Góc hướng
(Yaw) đo sự chệch hướng của phương tiện. Tương ứng sẽ có các ký hiệu toán
học bao gồm ba góc Euler là φ, θ và ψ.
INS thông thường có hai hệ phụ thuộc vào cấu hình phần cứng bao gồm:
Hệ INS có đế (Gimbal) và Hệ INS không đế (Strapdown) [41]. Hệ thống Gimbal
đơn giản trong tính toán nhưng chi phí cao do thiết bị phức tạp, trong khi đó hệ
thống Strapdown thì phức tạp trong tính toán nhưng chi phí thấp do cấu trúc
đơn giản từ các thiết bị điện tử. Nghiên cứu này chỉ quan tâm đến Strapdown mà
ở đó có các cảm biến gia tốc và cảm biến tốc độ góc được gắn cố định vào thiết
bị hay phương tiện chuyển động như trong các Smartphone hay Smartphone gắn
trên các phương tiện chuyển động.
Các giá trị đo được từ cảm biến phải được hiệu chuẩn, phân tích và mô
50
Vị trí, 
vận tốc, và
tư thế
IMU
Cảm biến gia tốc
Cảm biến tốc độ góc
Bộ xử lý điều hướng
Nguồn điện
Các điều kiện khởi tạo
và thông tin hỗ trợ khác
Hình 2.9: Sơ đồ cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính [15]
hình hóa sai số ngẫu nhiên. Ngoài ra, gia tốc đo được còn phải được hiệu chỉnh
trọng lực cục bộ g, tốc độ góc đo được còn phải được hiệu chỉnh tốc độ quay
Trái Đất ωe trước khi tham gia vào quá trình xác định tư thế, vận tốc và vị trí
của phương tiện. Hình 2.11 cho thấy việc sử dụng giá trị thu được từ cảm biến
ở thời điểm t và t+∆t liên tục theo thời gian để cập nhật tư thế, vận tốc và vị
trí trong hệ ECI. Sai số trong giải pháp định vị dẫn đường bằng INS tăng lên
đáng kể theo thời gian do sai số tích lũy từ các cảm biến. Sự phản hồi từ mô
hình trọng lực giúp ổn định vị trí và vận tốc theo hướng ngang nhưng không
thể ổn định dọc theo hướng di chuyển. Hiệu suất điều hướng có thể được cải
thiện phụ thuộc vào chất lượng của các cảm biến và giải thuật xử lý. INS cao
cấp nhất thường trang bị trên các tàu ngầm và một số tàu vũ trụ. INS được
sử dụng trong máy bay quân sự và máy bay chở khách thương mại có sai số vị
trí ngang dưới 1,500m trong giờ đầu tiên và chi phí khoảng 100,000 đô la hoặc
100,000 euro mỗi chiếc. INS được sử dụng cho máy bay hạng nhẹ, máy bay trực
thăng, và vũ khí có dẫn hướng thường có mức độ thấp hơn nhưng chi phí ít hơn
và chúng thường được tích hợp với các hệ thống định vị khác, chẳng hạn như
GNSS. Hình 2.12 cho thấy việc sử dụng giá trị thu được từ cảm biến ở thời điểm
t và t+∆t liên tục theo thời gian để cập nhật tư thế, vận tốc và vị trí trong hệ
51
Xử lý 
khởi tạo
Tốc độ góc
đo được
Cập nhật
tư thế
Lời giải 
cận trước
Gia tốc
chuyển đổi
Trọng lực 
hoặc
Mô hình 
trọng lực
Cập nhật
vận tốc
Cập nhật
vị trí
Lời giải dẫn đường quán tính
(vị trí, vận tốc và tư thế)
Gia tốc 
đo được
IMU
(Cảm biến gia tốc và 
cảm biến tốc độ góc)
Hình 2.10: Sơ đồ bộ xử lý dẫn đường quán tính [15]
ECEF. Các cảm biến quán tính Hệ thống vi cơ điện tử - Microelectromechanical
systems (MEMS) thường được trang bị trên Smartphone và trên UAV là rẻ nhất
và nhỏ nhất không thích hợp cho xây dựng INS, nhưng có thể được sử dụng cho
tích hợp GNSS/INS để cải thiện độ chính xác định vị vệ tinh và hạn chế ảnh
hưởng của sự gián đoạn tín hiệu vệ tinh. Hình 2.13 cho thấy việc sử dụng giá
trị thu được từ cảm biến ở thời điểm t và t + ∆t liên tục theo thời gian để cập
nhật tư thế, vận tốc và vị trí trong hệ định vị cục bộ n-frame. Những ưu điểm
chính của INS là hoạt động liên tục, giải pháp định vị dẫn đường băng rộng
giúp cung cấp các phép đo tốc độ góc, vận tốc cũng như vị trí một cách nhanh
chóng (ít nhất là 50Hz), nhiễu thấp trong khoảng ngắn hạn. Những nhược điểm
chính của INS là độ chính xác bị giảm sút theo thời gian cũng như chi phí.
Về cơ bản thì cách thức sử dụng cảm biến quán tính để cập nhật tư thế,
52
b
ib
b
ib
f
i
ib
f
i
ib
)(−i
ib
v
)(+i
ib
v
)(−i
ib
r
)(+i
ib
r
)(−i
b
C
)(+i
b
C
(1)
Cập nhật
tư thế
(2)
Gia tốc
chuyển đổi
(3)
Cập nhật
vận tốc
(4)
Cập nhật
vị trí
Mô hình
trọng lực
Hình 2.11: Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECI [15]
vận tốc và vị trí trên các hệ là giống nhau ngoại trừ ma trận chuyển đổi C. Dấu
(−) và dấu (+) cho biết đó là hai giá trị liên tiếp nhau. Việc chuyển đổi giữa các
hệ sẽ sử dụng ma trận chuyển đổi C, chỉ số dưới cho biết hệ đó là hệ nguồn và
chỉ số trên cho biết hệ đó là hệ đích.
53
b
ib
b
ib
f
e
ib
f
e
b
g
)(−e
eb
v
)(+e
eb
v
)(−e
eb
r
)(+e
eb
r
)(−e
b
C
)(+e
b
C
(1)
Cập nhật
tư thế
(2)
Gia tốc
chuyển đổi
(3)
Cập nhật
vận tốc
(4)
Cập nhật
vị trí
Mô hình
trọng lực
Hình 2.12: Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ ECEF [15]
54
b
ib
ω b
ib
f
n
ib
f
)(−n
eb
v
)(+n
eb
v
)(
)(
)(
−
−
−
b
b
b
h
L
λ
)()()( +++
bbb
hL λ
)(−n
b
C
)(+n
b
C
(1)
Cập nhật
tư thế
(2)
Gia tốc
chuyển đổi
n
b
g(3)
Cập nhật
vận tốc
(4)
Cập nhật
vị trí
Mô hình
trọng lực
Hình 2.13: Sơ đồ khối phương trình định vị trong hệ định vị cục bộ [15]
55
2.5 Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu
Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên trên thế giới là Hệ thống chuyển tuyến
Hải quân Hoa Kỳ. Hệ thống được mở ra cho mục đích dân dụng từ năm 1967
và ngừng hoạt động vào năm 1996. Tuyến chuyển tiếp bao gồm từ 4 đến 7 vệ
tinh tầm thấp (độ cao 1,100 km), mỗi vệ tinh được phát tín hiệu quảng bá với
tần số 150MHz và 400MHz. Trong một thời điểm, chỉ quan sát được duy nhất
một vệ tinh, thời điểm vệ tinh đi qua cách nhau 100 phút. Tuyến chuyển tiếp
sử dụng định vị Doppler, cung cấp chỉ một vị trí độc lập trong không gian hai
chiều trên mỗi vệ tinh đi qua. Do đó, nó chỉ được sử dụng trong thực tế cho
hàng hải và các ứng dụng trắc địa. Độ chính xác của vị trí điểm tĩnh đơn cho
người dùng khoảng 25m, trong khi độ chính xác vị trí điểm động giảm sút trừ
khi tuyến chuyển tiếp nhận được tính toán cải chính. Vào thời điểm đó, Nga đã
phát triển và vận hành một hệ thống gần giống hệt nhau, được gọi là Tsikada
[15].
Việc phát triển GPS được bắt đầu vào năm 1973 khi một số chương trình
vệ tinh định vị của Hoa Kỳ được hợp nhất. Vệ tinh nguyên mẫu hoạt động đầu
tiên đã được đưa ra vào năm 1978 và lần đầu tiên tuyên bố khả năng hoạt động
hoàn chỉnh của GPS vào năm 1993. Mặc dù được phát triển như là một hệ thống
quân sự, GPS hiện nay được sử dụng cho một loạt các ứng dụng dân sự. Hệ
thống vệ tinh định vị toàn cầu do Nga điều hành (GLONASS) cũng như một
hệ thống quân sự. Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 1982. Một hệ thống
vệ tinh thứ ba, Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu do Liên minh Châu Âu và
các đối tác phát triển (Galileo). Galileo là một hệ thống dân sự dưới sự kiểm
soát dân sự. Việc phóng vệ tinh đầu tiên vào cuối năm 2005 và khả năng hoạt
động lần đầu được lên kế hoạch là năm 2010-2012. Ngoài ra, các hệ thống khu
vực đang được Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản xây dựng với đề xuất mở rộng
hệ thống Compass của Trung Quốc sang phạm vi toà