Tính toán vị trí người sử dụng từ pseudoranges

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) 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 thiết bị GPS xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được một vị trí tọa độ của thiết bị GPS đó. GPS ban đầu chỉ dùng cho các mục đích quân sự, nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được yêu cầu an toàn ngày càng cao cho hệ thống dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải. Đặc biệt là tại những vùng và tại thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Do không thỏa mãn được nhu cầu trên nên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống định vị toàn cầu trong dân sự..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. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy.Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.Ứng dụng của GPS trong dân dụng: - Quản lý điều hành xe.- Khảo sát trắc địa môi trường.- Quản lý con người.

Mục lục Lời mở đầu………………………………………………2 I/Các thành phần của GPS………………………………4 1/ GPS có thể đo những gì? 5 2/ Trị đo pha………………. …………………………… 6 3/ M t s hi u l m c b n th ng g pộ ố ể ầ ơ ả ườ ặ …………………….8 II/ Tính toán vị trí người sử dụng từ PSEUDORAGES…8 1/ Định vị tuyệt đối………………. ………………… …9 2/ Định vị tương đối……………….……………… …11 3/ Định vị động……………….……………….…… …11 4/ ĐỊnh chính xác GPS……………….…………… ….13 5/ Sử dụng code để định vị………………. ………….…13 6/ Độ chính xác và các nguồn lỗi………………… ….14  7/ Kỹ thuật để cải thiện độ chính xác……………… …15 8/ Xác định khoảng cách giả để định vị ………… 17 9/ Bộ thu GPS…………………………………………… 19 10/ Một số chuỗi NMEA điển hình…………………… 21 Kết Luận……………….……………….……………… 26 Lời mở đầu Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) 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 thiết bị GPS xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được một vị trí tọa độ của thiết bị GPS đó. GPS ban đầu chỉ dùng cho các mục đích quân sự, nhưng không hệ nào đưa ra sự đảm bảo tồn tại liên tục và độ chính xác. Vì thế chúng không thỏa mãn được yêu cầu an toàn ngày càng cao cho hệ thống dẫn đường dân sự hàng không và hàng hải. Đặc biệt là tại những vùng và tại thời điểm có hoạt động quân sự của những quốc gia sở hữu các hệ thống đó. Do không thỏa mãn được nhu cầu trên nên từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống định vị toàn cầu trong dân sự 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. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu phải nhận được tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi chuyển động. Khi nhận được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.  Ứng dụng của GPS trong dân dụng: - Quản lý điều hành xe. - Khảo sát trắc địa môi trường. - Quản lý con người.  TÍNH TOÁN VỊ TRÍ NGƯỜI SỬ DỤNG TỪ PSEUDORANGES  I. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS:  Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng:  · Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động   · Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian  · Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí. Hình 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS. 1/ GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ: Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau: *Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên  nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A. Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứ`ng cho hai trị đo P1 và P2. Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1. Hình 2. Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh 2/ Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2. Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2%  bước sóng thì pha sóng mang có thể được đo đến mức độ milimét. Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Vì vậy để xử lý trị đo này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa. Hình 3. Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu  Như vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1. Trong khi máy thu hai tần sẽ cung cấp đến 7 loại trị đo:C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2. Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy  thu vì khi tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị đo sai đến hàng trăm km. Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải được khắc phục và loại trừ trong xử lý.  Hình 4 Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS 3/ M t s hi u l m c b n th ng g p:ộ ố ể ầ ơ ả ườ ặ - GPS ko ph i là h th ng d n ng. GPS là h th ng ả ệ ố ẫ đườ ệ ố nh v v trí. Còn d n ng (navigator) là 1 ng d ng đị ị ị ẫ đườ ứ ụ c a GPS. Nhi u b n nh c t i GPS là h th ng d n ngủ ề ạ ắ ớ ệ ố ẫ đườ là sai hoàn toàn. ng d ng c a GPS n gi n nh t mà Ứ ụ ủ đơ ả ấ b n có th s d ng ó là check in, foursquare, latitude ạ ể ử ụ đ - Nhi u v tinh h n ch c ch c ã x n h nề ệ ơ ắ ắ đ ị ơ Nhi u b n khoeề ạ máy mình b t c 8-10-12 v tinh. i u ó là t t, ch ng ắ đượ ệ Đ ề đ ố ứ t ch c n ng GPS c a b n ang ho t ng t t. Tuy nhiên ỏ ứ ă ủ ạ đ ạ độ ố i u ó có ngh a là t i th i i m ó, v trí ó b n ang đ ề đ ĩ ạ ờ đ ể đ ở ị đ ạ đ b t c tín hi u t 8-10-12 v tinh. i u ó không nói ắ đượ ệ ừ ệ Đ ề đ lên cái gì c ! V n là v trí ó, nh ng ngày hôm sau, có th ả ẫ ị đ ư ể b n s ch còn th y 3-4 VT ho c không th y cái nào. Vì ạ ẽ ỉ ấ ặ ấ nhi u lý do, nh do th i ti t ch ng h n!ề ư ờ ế ẳ ạ Nh ã nói trên, nh n c nhi u ngu n tín hi u có th ư đ ở ậ đượ ề ồ ệ ể giúp thi t b fix v trí nhanh h n và chính xác h n, nh ng ế ị ị ơ ơ ư ch là có th thôi, ôi khi còn làm ch m quá trình x lý.ỉ ể đ ậ ử  II. TÍNH TOÁN VỊ TRÍ NGƯỜI SỬ DỤNG TỪ PSEUDORANGES: * Để bắt đầu, người nhận chọn mà C / A mã số để lắng nghe bởi PRN số, dựa trên thông tin niên lịch đã mua trước đó. Khi nó phát hiện tín hiệu của mỗi vệ tinh, nó xác định nó bằng cách riêng biệt của nó C / A mẫu mã, sau đó các biện pháp  thời gian trễ cho mỗi vệ tinh. Để làm điều này, người nhận sản xuất một giống hệt C / A chuỗi bằng cách sử dụng hạt giống số giống như vệ tinh. Bằng cách xếp hai dãy, người nhận có thể đo sự chậm trễ và tính toán khoảng cách tới vệ tinh, gọi là pseudorange. Pseudoranges * Chồng lấn, đại diện là các đường cong , được sửa đổi để mang lại vị trí có thể xảy ra * Chồng lấn pseudoranges, đại diện là các đường cong, được sửa đổi để mang lại vị trí có thể xảy ra Với mỗi đoán, một pha loãng hình học chính xác (GDOP) vector được tính toán, dựa trên các vị trí trên bầu trời tương đối của các vệ tinh được sử dụng. Khi vệ tinh hơn là chọn, pseudoranges từ sự kết hợp nhiều hơn bốn vệ tinh có thể được xử lý để thêm nhiều hơn để dự đoán vị trí và đồng hồ bù đắp. Người nhận sau đó xác định các kết hợp sử dụng và làm thế nào để tính toán vị trí ước tính bằng cách xác định tỷ lệ trung bình trọng số của các vị trí và độ lệch đồng hồ. Sau khi vị trí cuối cùng và thời gian được tính toán, vị trí được thể hiện trong một hệ thống phối hợp cụ thể, ví dụ: kinh độ vĩ độ /, sử dụng WGS 84 dư kiện trắc địa hay hệ thống một địa phương cụ thể cho một quốc gia  [...]... được tạo ra bằng cách sử dụng dễ dàng phát tín hiệu sẵn có RAIM tính năng không bảo vệ chống giả mạo, kể từ RAIM chỉ kiểm tra các tín hiệu từ một người dẫn đường  6/ Độ chính xác và các nguồn lỗi 16 Các vị trí tính bằng một máy thu GPS cần phải có thời gian hiện tại, vị trí của vệ tinh và trì hoãn việc đo của tín hiệu nhận được Độ chính xác vị trí là chủ yếu phụ thuộc vào vị trí vệ tinh và sự chậm trễ... nhận được Do vậy người khai thác hệ thống phải có nhiệm vụ đồng bộ các đồng hồ vệ tinh bằng cách thường xuyên chuyển cho chúng các lệnh hiệu chỉnh từ mặt đất Máy thu GPS từ mặt đất sử dụng các giá trị hiệu chỉnh này để hiệu chỉnh lại khoảng cách giả đo được 19 9/ Bộ thu GPS Bộ thu GPS tính toán vị trí của nó bằng việc tính toán và so sánh thời gian truyền tínhiệu từ lúc nó được gửi từ vệ tinh đến khi... để xác định được vị trí chính xác .Tính toán được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh, cho phép xác định vị trí của bộ thunằm trên hình cầu có tâm là vệ tinh đó Do vậy, với 4 vệ tinh ta có thể xác định được v trí của bộ thu ở tại hai miền giao của 4 hình cầu có tâm là vị trí các vệ tinh, bán kính làkhoảng cách từ bộ thu tới các vệ tinh đó.Trường hợp không có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao... bản tin gửi từvệ tinh và tính toán khoảng cách tới vệ tinh đó Phép đo hình học ba cạnh tam giác đượcsử dụng để kết hợp các khoảng cách này cùng vị trí của các vệ tinh để xác định vị trí của bộ thu Tuy nhiên trên thực tế, một sai số nhỏ của thời gian nhân với vận tốc rất lớn củaánh sáng (cũng là vận tốc lan truyền của sóng điện từ) sẽ gây ra sai số về khoảng cách đáng kể Do vậy các bộ thu sử dụng thêm... định vị  Tính toán một vị trí với người sử dụng thường là tín hiệu tương tự như trong khái niệm, giả sử một người có thể giải mã nó Các mã hóa cơ bản là một cơ chế an toàn: nếu tín hiệu có thể được giải mã thành công, đó là hợp lý để cho rằng đó là một tín hiệu thực sự được gửi bởi một vệ tinh GPS] Trong khi đó, thu nội rất dễ bị giả mạo từ xác định dạng C / Một tín hiệu có thể được tạo ra bằng cách sử. .. tín hiệu của ít nhất 3 vệ tinh đủ mạnh để tính toán được vị trí dưới mặt đất Nếu có ít nhất 4 vệ tinh "nhìn thấy" bạn, thông tin về độ cao so với mặt biển cũng có thể tính toán được inValid nghĩa là không tìm tính toán được vị trí hiện tại dưới mặt đất - 4807.038,N : Vĩ độ : 48 độ 07.038' N - 01131.000,E : Kinh độ : 11 độ 31.000' E - 022.4 : vận tốc bề mặt tính theo hải lí (Speed) - 084.4 : (Course)... giao nhau) Vị trí chính xác của bộ thu GPS là 1 trong hai giao điểm mà gần với bề mặt trái đất nhất đối với các bộ thu của các phương tiện di chuyển trên hay gần bềmặt trái 20 đất Giao điểm còn lại có thể là vị trí chính xác của một thiết bị khác trongkhông gian Tính toán vị trí của bộ thu GPS trên bề mặt trái đất Phương trình xác định tọa độ 21 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh Gọi tọa độ vị trí là (X,... : - 123519 : vị trí dò tìm lúc 12:35:19 UTC - 4807.038,N : Vĩ độ 48 độ 07.038 Bắc - 01131.000,E : Kinh độ 11 độ 31.000 Đông - 1 : chất lượng vị trí dò tìm : 0=invalid, 1=GPSFix, 2=DGPSFix, - 3=PPSFix, 4= , 5= , 6= , 7= , 8= - 08: số vệ tinh đang được khảo sát - 0.9 : HDOP - 545.4,M : (Altitude,Meters) cao độ tính từ mặt nước biển, tính bằng mét - (rỗng) : thời lượng tính bằng giây tính từ lần cập nhật... nữa và do vậy cần có từ 4 vệ tinh trở lên 12 Trị đo giả cự ly chứa nhiều sai số dẫn đến toạ độ của máy thu có thể sai từ vài mét đến vài chục mét 2/ Định vị tương đối 3/ Định vị động  Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì ta gọi đó là định vị động Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh (trường hợp máy thu đứng yên) nhưng có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như... fix ; 3 = 3D fix) - 04,05 : PRNs của các vệ tinh được sử dụng cho việc dò tìm (tổng cộng 12) - 2.5 : PDOP - 1.3 : HDOP - 2.1 : VDOP d GPGSV : dữ liệu dạng GSV- Satellites in View, dùng để phân tích thông tin về vệ tinh 25 Việc nhận biết vị trí của các vệ tinh rất quan trọng trong việc xác định độ chính xác và ổn định của việc xác định vị trí Vị trí của một vệ tinh được xác định thông qua sự kết hợp . Định vị tương đối……………….……………… …11 3/ Định vị động……………….……………….…… …11 4/ ĐỊnh chính xác GPS……………….…………… …. 13 5/ Sử dụng code để định vị………………. ………….… 13 6/ Độ chính xác và các nguồn lỗi…………………. tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A. Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0 .3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Vì. những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa. Hình 3. Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu  Như vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1. Trong khi máy thu hai tần sẽ cung