Khảo sát sai số gps độ chính xác cao theo thời gian và đề ra phương pháp sử dụng

MỞ ĐẦU Từ hệ thống định vị vệ tinh GPS (Global Positioning System) đưa vào sử dụng cho mục đích dân sự, mở cách mạng công nghệ lĩnh vực trắc địa - đồ theo hướng không ngừng nâng cao hiệu công tác đo đạc ngoại nghiệp việc đáp ứng yêu cầu độ xác Tuy nhiên q trình làm việc độ xác GPS phụ thuộc vào nhiều yếu tố chủ yếu cấu hình vệ tinh ảnh hưởng khí hậu, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy định vị, sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số tượng tán xạ, sai số bầu khí quyển, làm cho độ xác số đo giảm nhiều trình đo nguyên nhân gây sai số Để giảm sai số đo đạc Vì đề tài: “Khảo sát sai số GPS độ xác cao theo thời gian đề phưong pháp sử dụng” thực với mục đích khảo sát yếu tố thời gian, thời tiết, nhiệt độ, ẩm độ ảnh hưởng đến độ xác trị đo GPS Mục tiêu - So sánh đánh giá độ xác GPS (Topcon Hiper Gb) theo thời gian - Đề xuất phương pháp sử dụng có độ xác thấp Chương LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan hệ thống định vị toàn cầu GPS 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Theo Trần Mạnh Tuấn Đào Thị Hồng Diệp, (2006) Từ thời xa xưa, người sử dụng thiên văn la bàn đồ để xác định vị trí tìm đường chiến thám hiểm khai thác miền đất lạ Tuy nhiên phải đến năm 1995 hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS Mỹ GLONASS Nga thức vào hoạt động, nhu cầu định vị dẫn đường giải cách Ngoài mục tiêu quân ý tưởng ban đầu hệ thống định vị vệ tinh ứng dụng rộng rãi hiệu nhiều lĩnh vưc dân Theo Lê Văn Hưng (1997) Hệ thống địng vị toàn cầu, GPS (Global Position System) hệ thống dẫn đường định vị siêu xác dựa vệ tinh NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing And Ranging) chuyển khai quốc phịng Hoa Kỳ Cơng việc hệ thống năm 1973 Do phói hợp chương trình TIMATION hải quân Hoa Kỳ đề án 621B lực lượng không quân Hoa Kỳ Cả hai Chương trình xây dựng khoảng năm 1960 để triển khai hệ thống hướng dẫn hàng hải phép cự ly Những vệ tinh GPS phóng lên quỹ đạo vào năm 1978, đến năm 1994 tổng số 21 vệ tinh theo thiết kế phóng đầy đủ vệ tinh dự phòng Các vệ tinh xếp mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55 so với mặt xích đạo Mỗi quỹ đạo vòng tròn với độ cao khoảng 20183km Khoảng thời gian cần thiết để quay quanh quỹ đạo tương ứng 12 giời hành tinh, thời gian quay trái đất Đầu tiên hệ thống định vị toàn cầu GPS dùng để xác định thời gian, vị trí, cự ly, tốc độ đường phương tiện giao thông biển, sau mở rộng phạm vi ứng dụng sang lĩnh vực trắc địa, địa lý, địa chất, địa vật lý, dầu khí thuỷ văn, xây dựng, nông-lâm nghiệp, hải dương học, thám hiển không gian, du lịch v.v 1.1.2 Các khái niệm GPS a) GPS Theo Võ Quang Minh (2007) GPS, hệ thống định vị toàn cầu, cấu thành chịm (có nghĩa cấu tạo nhóm hay hệ thống) quỹ đạo vệ tinh mà kết hợp với thiết bị mặt đất, cho phép người sử dụng định vị trí xác họ nơi bề mặt trái đất thời gian nào, mà khơng có chướng ngại quan sát bầu trời, vị trí quan sát có 4-6 vệ tinh “nhìn thấy” xác định toạ độ nơi b) Khái niệm GPS Theo Nguyễn Đức Hùng (2006) GPS (Global Positioning System) Hệ thống định vị tồn cầu hệ thống xác định vị trí dựa vị trí vệ tinh nhân tạo Trong thời điểm, vị trí mặt đất xác định khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) tính toạ độ vị trí GPS thiết kế quản lý Bộ Quốc phịng Hoa Kỳ, phủ Hoa Kỳ cho phép người sử dụng miễn phí, quốc tịch từ năm 1980, GPS hoạt động điều kiện thời tiết, nơi Trái Đất, 24 ngày Khơng phí th bao tiền trả cho việc thiết lập sử dụng GPS GPS hệ dẫn đường dựa mạng lưới 24 vệ tinh đặt quỹ đạo không gian, hoạt động dựa trạm phát tín hiệu vơ tuyến điện Được biết nhiều hệ thống có tên gọi LORAN - hoạt động giải tần 90-100 kHz chủ yếu dùng cho hàng hải, hay TACAN - dùng cho quân đội Mỹ biến thể với độ xác thấp VOR/DME - VHF dùng cho hàng không dân dụng c) Sự hoạt động GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần ngày theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính xác vị trí người dùng Về chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu phát từ vệ tinh với thời gian nhận chúng Sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo tới nhiều vệ tinh máy thu tính vị trí người dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu GPS phải khố với tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động Với bốn hay nhiều số vệ tinh tầm nhìn máy thu tính vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thông tin khác, tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn nhiều thứ khác d) Độ xác GPS Các máy thu GPS ngày xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khố vào vệ tinh bật lên chúng trì chắn liên hệ này, chí tán rậm rạp thành phố với tồ nhà cao tầng Tình trạng định khí nguồn gây sai số khác ảnh hưởng tới độ xác máy thu GPS Các máy thu GPS có độ xác trung bình vịng 15 mét Các máy thu với khả WAAS tăng độ xác trung bình tới mét Khơng cần thêm thiết bị hay phí để có lợi điểm WAAS Người dùng có độ xác tốt với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi tín hiệu GPS để có độ xác khoảng đến mét Cục phòng vệ bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi Hệ thống bao gồm mạng đài thu tín hiệu GPS phát tín hiệu sửa lỗi máy phát hiệu Để thu tín hiệu sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm anten để dùng với máy thu GPS họ e) Hệ thống vệ tinh GPS 24 vệ tinh làm nên vùng không gian GPS quỹ đạo 12 nghìn dặm cách mặt đất Chúng chuyển động ổn định, hai vòng quỹ đạo khoảng thời gian gần 24 Các vệ tinh chuyển động với vận tốc nghìn dặm Các vệ tinh nuôi lượng Mặt Trời Chúng có nguồn pin dự phịng để trì hoạt động chạy khuất vào vùng khơng có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn vệ tinh giữ chúng bay quỹ đạo định, Hình 1.1 chuyển động hệ thống vệ tinh xung quanh trái đất Hình 1.1 Hệ thống vệ tinh http://vietsciences.free.fr/lichsu/lichsuhethongdinhvi02.htm 1.2 Các thành phần GPS Theo nguyễn Đức Hùng (2006) Hệ thống định vị toàn cầu cấu tạo thành ba phần (phần không gian – space segment, phần điều khiển – control segment phần người sử dụng – user segment) Phần không gian: bao gồm vệ tinh, chúng truyền tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động Phần điều khiển: Các tiện ích mặt đất thực nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính tốn quĩ đạo cần thiết cho quản lý mảng khơng gian Phần người sử dụng: tồn thể thiết bị thu kỹ thuật tính tốn để cung cấp cho người sử dụng thông tin vị trí Hình Sơ đồ liên quan ba phần hệ thống định vị toàn cầu 1.2.1 Phần không gian (space segment) Phần không gian GPS bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo (được gọi satellite vehicle, tính đến thời điểm 1995) Quỹ đạo chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất quỹ đạo tròn, 24 vệ tinh nhân tạo chuyển động mặt phẳng quỹ đạo Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh GPS nghiêng so với mặt phẳng xích đạo góc 55 độ Hình1.3 minh họa chuyển động vệ tinh GPS xung quanh trái đất Từ phóng vệ tinh GPS phóng vào năm 1978, đến có bốn hệ vệ tinh khác Thế hệ vệ tinh Block I, hệ thứ hai Block II, hệ thứ ba Block IIA hệ gần Block IIR Thế hệ cuối vệ tinh Block IIR gọi Block IIR-M Những vệ tinh hệ sau trang bị thiết bị đại hơn, có độ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt động lâu Vệ tinh hệ đầu Block I cho Hình 1.4 Vệ tinh hệ Block IIR-M1 (được phóng vào tháng 12 năm 2005) cho Hình 1.5 Hình 1.3 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất http://vietsciences.free.fr/lichsu/lichsuhethongdinhvi02.htm Hình 1.4 Vệ tinh NAVSTAR http://www.deagel.com/pandora/index.aspx?p=pm00371005 Vệ tinh GPS chạy lượng mặt trời Vệ tinh trang bị pin để chạy khơng có lượng mặt trời Mỗi vệ tinh có nâng đỡ loại tên lửa để trì vệ tinh quỹ đạo xác Mỗi vệ tinh xây dựng tồn hoạt động khoảng 10 năm Việc thay phóng vệ tinh lên quỹ đạo trì thường xuyên Một vệ tinh GPS nặng khoảng 2000 pounds (909 kg) cao 17 feet (khoảng mét) có bảng nhận lượng mặt trời trải rộng Năng lượng phát sóng khoảng 50 watts nhỏ Một số thông số vệ tinh hệ GPS IIR-M1 (thế hệ mới) Vệ tinh hệ GPS IIR-M1 có khối lượng 1132.75 kg Vệ tinh GPS IIR-M1có khả thực tín hiệu qn (M-code L1M L2M) tín hiệu dân dụng thứ (L2C) Vệ tinh GPS IIR-M1 trị giá 75 triệu la Mỹ phóng thành công vào sáng ngày 26/9/2005 Ảnh vệ tinh GPS IIR-M1 Hình 1.5 Hìn h 1.5 GPS IIR-M1 launched in Sep 2005 (http://www.mobilemag.com/content/100/313/C4741/) 1.2.2 Phần điều khiển (control segment) Phần điều khiển là trạm điều khiển mặt đất phận quan trọng hệ thống để trì hoạt động tồn hệ thống GPS hiệu chỉnh tín hiệu thơng tin vệ tinh hệ thống GPS Phần điều khiển có trạm quan sát đặt rải rác mặt đất Có trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) Colorado Springs bang Colarado Mỹ trạm kiểm soát (monitor stations) hoạt động cách tự động, Bốn trạm nhận tín hiệu liên tục từ vệ tinh gởi thông tin đến trạm kiểm sốt trung tâm Tại trạm kiểm sốt trung tâm, sửa lại data cho kết hợp với hai anten khác để gởi lại thông tin cho vệ tinh Bản đồ hình 1.6 minh họa vị trí trạm điều khiển hệ thống GPS Gần có thêm trạm phụ Cape Canaveral (bang Florida, Mỹ) mạng quân phụ (NIMA) sử dụng để đánh giá đặt tính liệu thời gian thực nhiệm Hình 1.6 Các trạm điều khiển kiểm tra http://vietsciences.free.fr/lichsu/lichsuhethongdinh Chú thích hình 1.6 ■ Giám sát điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục ♦ Quy định thời gian hệ thống GPS ● Dự đoán liệu lịch thiên văn hoạt động đồng hồ vệ tinh ▲ Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho vệ tinh cụ thể 1.2.3 Phần người sử dụng (user segment) Phần người sử dụng bao gồm máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho mục đích khác dẫn đường biển, không, đất liền phục vụ công tác đo đạc nhiều nơi thới giới việc khai thác sử dụng cơng nghệ GPS, người ta kết nối thiết bị thu tính hiệu GPS với số thiết bị thu phát khác để thực kỹ thuật đo động thời gian (Real Time Kinematic – RTK), đo vi phân DGPS (Diffeential – GPS), đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide – Area – Differential GPS) Trong kỹ thuật WADGPS sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại (Commercial Communication satellite) phương tiện trung gian để tải truyền số cải đo vi phân cho trạm đo Máy thu GPS phần cứng quan trọng phần sử dụng Các máy thu làm việc với đầy đủ bước sóng tải L1 L2, với trị đo giả cự ly C/A code Hiện có nhiều loại máy thu có khả đo chế độ thời gian thực (Real Time) Dạng máy thu phổ biến dạng máy thu đa kênh Phần người sử dụng khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng anten máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh có thơng tin vị trí, thời gian vận tốc di chuyển Để thu vị trí, phần người sử dụng cần có anten máy thu GPS (GPS receivers) Nguyên lý thu phần người sử dụng minh họa hình 1.7 Hình 1.7 Máy thu GPS Topcon GB-1000 kỹ thuật đo RTK đo địa hình http://vietsciences.free.fr/lichsu/lichsuhethongdinhvi02.htm 1.3 Các nguyên tắc phương pháp định vị GPS 1.3.1 Các trị đo dùng định vị a) Trị đo giả cự ly (Pseudo- Range) Phép đo giả cự ly phép đo dựa nguyên tắc đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Trị đo giả cự ly tích tốt độ ánh sáng (c) trị biến đổi thời gian (t) cần thiết Trên lý thuyết, trị biến đổi thời gian trị chênh lệch thời gian nhận tính hiệu (được đo hệ thời gian máy thu) thời gian phát tín hiệu (được đo thời gian vệ tinh) thực tế, hai hệ thời gian hệ thời gian không giống nhau, hệ tác động sai lệch vào trị số đo Chính vậy, số đo thời trể sai lệch nối đến số đo giả cự ly b) Trị pha sóng mang (Carier Phase) Trị đo pha sóng mang dựa vào pha tính hiệu dư rớt lại sóng mang từ vệ tinh đến máy thu (đã bị dịch chuyển) khác với tầng số cố định máy thu phát Trị quan trắc nhận dạng sản phẩm phụ kênh tương quan từ kênh cầu phương (Squaring Channel) Kênh cầu phương thực phép bình phương tín hiệu nhận để hàm tuần hồn thứ hai sóng mang không chứa nội dung điều biến mã 1.3.2 Các phương pháp định vị GPS a) Định vị tuyệt đối Nguyên tắc định vị tuyệt đối GPS xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thời điểm quan sát từ tính toạ độ máy thu toạ độ điểm cần xác định Phép đo khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu gọi phép đo giả cự ly, tức đo khoảng cách dựa trị trễ thời gian từ lúc vệ tinh phát tín hiệu đến thiết bị nhận tính hiệu a) Định vị tương đối Khi đồi hỏi cần phải có độ xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối Phép định vị tương đối phép định vị dựa hai nhiều thiết bị thu đồng thời, kết nhận toạ độ tuyệt đối mà hiệu toạ độ hai điểm Hay nói cách khác phép định vị tương đối ta xác định vectơ hai điểm mà ta thường gọi đường đáy 1.3.3 Các kiểu định vị GPS a) Định vị tĩnh Nếu anten cố định quan trắc nhiều cự ly từ máy thu đến vệ tinh khác nhau, việc làm cho phép ta có số đo dư thừa, giải nghiệm tổng quát (theo phép bình phương nhỏ nhất) từ nhiều số đo nhận vị trí cần xác định với độ xác cao Trong phép định vị tĩnh, nhận kết theo thời gian thực, trị quan trắc điều xử lý cho cải thiện trị toạ độ vị trí xác định trước đó, giá trị quan trắc xử lý sau kết thúc chuyến cơng tác ngồi trời b) Định vị động Trong phép định vị động, thường tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực nghiệm bao gồm vị trí (tức “Chỉ định”) thời điểm Một chuổi kết “chỉ định” (lộ trình rời rạc phương tiện) xử lý hậu kỳ cách sử dụng thuật toán đường cong trơn có 10