Luận văn hệ thống định vị vệ tinh có sửa phân sai DGPS (Differential Global Positioning System )

Ch¬ng I §Æt vÊn ®Ò Ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ dïng ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ, ®o ®¹c, dÉn ®êng … lµ vÊn ®Ò rÊt cÇn thiÕt ®èi víi hµnh h¶i, qu©n sù còng nh c¸c ho¹t ®éng kinh tÕ v¨n ho¸ x· héi §i ®«i víi sù ph¸t triÓn vÒ khoa häc kü thuËt, th× c¸c ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ còng ph¸t triÓn tõ th« s¬ ®Õn hiÖn ®¹i B¾t ®Çu tõ kÝnh lôc ph©n, la bµn, c¸c b¶ng vÒ sao Sau ®ã lµ ¸p dông sãng v« tuyÕn ®iÖn ®Ó ®Þnh vÞ nh hÖ thèng dÉn ®êng radio, Transit… vµ cho ®Õn khi kü thuËt phãng vÖ tinh nh©n t¹o ®îc ph¸t triÓn ( ®Çu nh÷ng n¨m 1960 ) th× ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ toµn cÇu ®îc thùc hiÖn HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS ( Global Positioning System ) ra ®êi, nã kh¾c phôc ®îc nh÷ng nhîc ®iÓm cña c¸c ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ tríc ®ã nh: §é chÝnh x¸c cao (®Õn tõng cm), tù ®éng ho¸ cao, ho¹t ®éng theo ch¬ng tr×nh phÇn mÒm ®· ®îc lËp tr×nh s½n, ®Ó sö dông vµ b¶o dìng thiÕt bÞ §Æc biÖt c¸c chÕ ®é lµm viÖc lu«n ®¶m b¶o, c¸c thiÕt bÞ lµm viÖc æn ®Þnh 24/24giê do m¸y cã cÊu t¹o ®Æc biÖt MÆc dï hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS cã nh÷ng u ®iÓm trªn nhng nã vÉn cã nh÷ng nh©n tè ¶nh hëng ®Õn viÖc ®Þnh vÞ vµ dÉn ®êng thÝ dô:nh c¸c sai sè do sù t¸n s¾c vµ khóc x¹ trong tÇng ®iÖn ly, trong qu¸ tr×nh truyÔn sãng, sai sè ®ång hå vÖ tinh vµ ®ång hå m¸y thu GPS, sai sè do ¶nh hëng cña c¸c tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt tíi m¸y thu GPS ( Multi parth signal)… mµ vÞ trÝ ®Þnh vÞ b»ng GPS cã thÓ bÞ sai lÖch §Ó kh¾c phôc vµ ®¸p øng yªu cÇu ®ßi hái ngµy cµng cao vÒ ®é chÝnh x¸c vµ ph¹m vi øng dông cña ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ th× ph¶i øng dông c¸c c«ng nghÖ tiªn tiÕn cã kü thuËt cao Ngêi ta ®· ®a ra kü thuËt DGPS (Differential GPS )lµ mét kü thuËt hiÖn ®¹i ®îc sö dông réng r·i ViÖc øng dông c«ng nghÖ ®óng híng cã hiÖu qu¶ cao tríc tiªn ph¶i nghiªn cøu hiÓu râ b¶n chÊt cña c«ng nghÖ ®ã trªn c¬ së hiÓu biÕt vµ lµm chñ nã XuÊt ph¸t tõ ng÷ng lý do trªn t«i nghiªn cøu ®Ò tµi hÖ thèng ®Þnh vÞ vÖ tinh cã söa ph©n sai DGPS (Differential Global Positioning System ) nh»m môc ®Ých n¾m v÷ng lý thuyÕt thùc hµnh øng dông c«ng nghÖ DGPS ®· vµ ®ang ®îc triÓn khai réng r·i trªn thÕ giíi vµ khu vùc §«ng Nam ¸ vµ ®ang sö dông réng r·i ë níc ta Trong khu«n khæ cña ®Ò tµi nµy t«i tr×nh bµy c¸c phÇn sau: 1 S¬ lîc vÒ c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ 2 C«ng nghÖ DGPS (Differential Global Positioning System) 3 Mét sè ý kiÕn kiÕn nghÞ thiÕt lËp m¹ng DGPS ë ViÖt Nam 4 KÕt luËn Kü thuËt DGPS lµ mét néi dung cßn míi mÎ ®èi víi ngêi dïng ViÖt Nam, v× thêi gian cã h¹n, viÖc t×m hiÓu tµi liÖu cßn khã kh¨n nªn kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt T«i rÊt mong ®îc sù chØ b¶o, ®ãng gãp ý kiÕn cña c¸c thÇy gi¸o vµ c¸c b¹n ®ång nghiÖp §Ó hoµn thµnh ®îc kho¸ häc mµ cô thÓ lµ b¶o vÖ thµnh c«ng luËn v¨n tèt nghiÖp ngµy h«m nay §ã lµ sù cè g¾ng häc tËp cña b¶n th©n cïng víi c«ng lao to 3 lín gi¶ng d¹y truyÒn ®¹t kiÕn thøc cña c¸c thÇy c« gi¸o trêng §¹i Häc Hµng H¶i nãi chung, cña c¸c thÇy gi¸o trong khoa §iÖn Tö ViÔn Th«ng nãi riªng vµ ®Æc biÖt lµ sù chØ b¶o híng dÉn tËn t×nh cña thÇy gi¸o híng dÉn: §¹i t¸ - PGS - TS - Nhµ gi¸o u tó §µo §øc KÝnh Qua ®©y t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi thÇy §µo §øc KÝnh cïng c¸c thÇy gi¸o trong trêng T«i xin kÝnh chóc thÇy cïng toµn thÓ gia ®×nh an khang thÞnh vîng Xin ch©n thµnh c¶m ¬n! T¸c gi¶: NguyÔn V¨n Duy 4 Ch¬ng II Tæng quan vÒ c¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ §Þnh vÞ dÉn ®êng cã tõ l©u trong cuéc sèng Ngêi ta ®· ®a ra rÊt nhiÒu ph¬ng ph¸p ®Þnh vÞ ë ®©y t«i giíi thiÖu mét sè hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng chÝnh 2.1 C¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®êng tríc khi cã hÖ thèng GPS 2.1.1 HÖ thèng ®Þnh vÞ Radio (Radio navigation system) Nguyªn lý c¬ b¶n la giao héi c¹nh tõ 3 ®iÓm ®· biÕt to¹ ®é ®Ó x¸c ®Þnh to¹ ®é mÆt ph¼ng cña ®iÓm ®Æt m¸y (§iÓm cha biÕt to¹ ®é ) T¹i Ýt nhÊt 3 ®iÓm ®· biÕt to¹ dé,thiÕt lËp 3 tr¹m ph¸t tÝn hiÖu :Radio,®iÓm cÇn ®Þnh vÞ ®Æt m¸y thu tÝn hiÖu tõ c¸c tr¹m ph¸t tÝn hiÖu radio trªn.Kho¶ng c¸ch tõ tr¹m ®Æt m¸y thu dÕn tr¹n ph¸t ®îc x¸c ®Þnh b»ng ®é trÔ thêi gian cña tÝn hiÖu ph¸t tõ tr¹m ph¸t tíi tr¹m thu.Dùa vµo ®é trÔ thêi gian Ýt nhÊt 3 tr¹m ph¸t vµ to¹ ®é cña c¶c tr¹m nµy,sÏ tÝnh ®îc to¹ ®é mÆt phÆt ph¼ng cña tr¹m ®¨t m¸y thu.Kü thuËt ®o ®é trÔ thêi gian cã thÓ sö dông kü thuËt ®o xung hoÆc ®o lÖch pha cña tÝn hiÖu sãng ®iÒu hoµ C¸c hÖ thèng radio navigation trªn thÕ giíi thêng sö dông d¶i tÇn sè sãng ng¾n hoÆc sãng trung Nh¬c ®iÓm cña hÑ thèng nµy lµ tÇm ho¹t ®éng cã h¹n,®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ phô thuéc vµo thêi ®iÓm do vµ vÞ trÝ cÇn x¸c ®Þnh t¬ng ®«i víi c¸c tr¹m ph¸t radio cè ®Þnh §Ó t¨ng tÇm ho¹t ®éng cña hÖ thèng,ngêi ta liªn kÕt tõng côm hÖ thèng gåm Ýt nhÊt 3 tr¹m Radio Beacon thµnh tõng chuçi hÖ thèng c¸c chuçi nµy cã ®é phñ sãng lín,thêng vµo kho¶ng 1.000 dÆm Nh vËy chuçi nµy t¹o thµnh mét hÖ thèng ®Þnh vÞ quèc gia hay khu vc.C¸c hÖ thèng Radio navigation System lín dîc biÕt trªn thÕ giíi lµ:HÖ LORAN_C,HÖ CHAYKA; HÖ LORAN-CHAYKA; HÖ DECCA 2.1.1.1 HÖ LORAN_C : Môc ®Ých sö dông trong qu©n sù vµ sau nµy sñ dông trong ®Þnh vÞ dÉn ®êng d©n sù trªn toµn bê biÓn níc Mü.HÖ LORAN_C do lùc lîng biªn phßng Mü thiÕt lËp.Nã lµ hÖ thèng Radio Hybecbol sö dông tÇn sè xung 100 khz.§é phñ sãng cña hÖ thèng phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña m¸y thu.HÖ nµy phôc vô 24/24giê víi ®é chÝnh x¸c kho¶ng 100 m vµ t¬ng ®èi kho¶ng 20m ®Õn 100m.Do ®Æc tÝnh kü thËt cña hÖ thèng LORAN_C phï hîp víi yªu cÇu hµng kh«ng nªn c¬ quan qu¶n lý hµng kh«ng chÊp nhËn hÖ thèng LORAN_C cã ®é phñ sãng toµn n¬c Mü.HÖ thèng nµy ®¬c hoµn thµnh vµo th¸ng 6 n¨m 1991 2.1.1.2 HÖ thèng CHAYKA vµ LORAN/CHAYKA : CHAYKA lµ mét hÖ thèng radio navigation t¬ng tù nh hÖ thèng LORAN_C do Nga x©y dùng däc theo bê biÓn Nga Gi÷a hÖ thèng LORAN_C B¾c Th¸i B×nh Duong vµ hÖ thèng CHAYKA cã mét vïng trèng kho¶ng 500 h¶i lý t¹i vïng biÓn 5 Bering kh«ng dîc c¶ hai hÖ thèng nµy phñ sãng.Sù hîp t¸c gi÷a Mü vµ Nga ®· x©y dông hÖ thèng LORAN-CHAYKA phñ sãng toµn bé vïng trèng nµy.HÖ thèng nµy liªn kÕt c¸c tr¹m ATTA vµ ALASKA thuéc hÖ thèng LORAN_C cña Mü vµ c¸c tr¹m PÎtopavlovsk vµ Aleksandorcska thuéc hÖ thèng CHAYKA cña Nga 2.1.1.3 HÖ thèng DECCA T¬ng tù c¸c hÖ th«ng tríc hÖ thèng DECCA ®îc x©y dùng víi môc ®Ých ®Þnh vÞ dÉn ®êng trªn kh«ng vµ trªn biÓn.HÖ thèng ®îc thiÕt lËp trªn vïng phÝa t©y Ch©u ¢u,vïng Ban TÝch,Nam Phi,VÞnh ¶ R©p,NhËt B¶n,¢n Dé, Australia HÖ thèng ho¹t ®éng trªn hai d¶i b¨ng tÇn sè :B¨ng 1 tõ 70-90 khz vµ tõ B¨ng hai tõ 110-130 khz.§é chÝnh x¸c kho¶ng 20-50cm trong kho¶ng c¸ch díi 220km.Trªn kho¶ng c¸ch nay gi¶m rÊt nhanh Tríc khi co hÖ thèng dÉn ®êng b»ng GPS thi c¸c hÖ thèng dÉn ®êng tríc ®©y ®îc sö dông réng r·i trªn thÕ giíi.HÖ thèng GPS ra ®êi víi tÝnh n¨ng kü thuËt vît tréi va c¸c dÞch vô kh¸c kÌm theo,®· dÇn ®Èy lïi c¸c hÖ thèng trªn vµo qu¸ khø 2.1.2 HÖ thèng TRANSIT: HÖ thèng nµy lµ hÖ dÞnh vÞ radio toµn cÇu sö dông kü thuËt DOPPLE ®Ó ®Þnh vÞ trong to¹ ®é kh«ng gian.HÖ thèng nµy g«m 4 vÖ tinh hoÆc nhiÒu h¬n ®îc bè trÝ trªn c¸c quü ®¹o víi ®é cao kho¶ng 1080km, m¸y thu tÝn hiÖu ®Æt trªn tr¸i ®Êt cã thÓ thu c¸c fix c¸ch nhau tõ 1®Õn 3 giê khi vÖ tinh ®Æt trong tÇm nh×n cña n¬i ®Æt m¸y.B×nh thêng th× mçi vÖ tinh xuÊt hiÖn trong tÇm nhin kho¶ng 20 phót.Khi ®ã chØ cÇn x¸c ®Þnh mét fix cho mçi vÖ tinh HÖ thèng TRANSIT ®Þnh vÞ trªn hÖ quy chiÕu WGS-72 HÖ thèng ho¹t ®éng trªn 2 tÇn sè 150 Mhz vµ 400Mhz.VÒ lÝ thuyÕt chØ cÇn ho¹t ®éng trªn mét tÇn sè lµ cã thÓ ®Þnh vÞ dîc,nhng lµm gi¶m ¶nh hëng cña tÇng ion tíi ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ,ngêi sö dông ph¶i sö dông c¶ hai tÇn sè trªn §é chÝnh x¸c cña hÖ thèng phô thuéc vµo sè lÇn b¾t ®îc vÖ tinh ®a vµo tÝnh to¸n ®Þnh vÞ(sè fix thu ®îc) vµ viÖc sö dông mét tÇn sè hay hai tÇn sè.§é chÝnh x¸c tiªu chuÈn cña mét lÇn b¾t vÖ tinh ®a vµo tÝnh to¸n ®Þnh vÞ víi mét tÇn sè lµ 500 m,nÕu sö dông hai tÇn sè ®é chÝnh x¸c t¨ng lªn 25m.V¬i viÖc ®o ®ång thêi trªn ®iÓm cÇn x¸c ®Þnh to¹ ®é vµ ®iÓm ®· biÕt to¹ ®é,®é chÝnh x¸c sÏ t¨ng lªn 10m do sö dông kü thuËt ph©n sai.§é chÝnh x¸c cã thÓ t¨ng ®Õn 5m khi sö dông c¸c ph¬ng ph¸p ®o dÆc biÖt.HÖ thèng TRANSIT ®îc h¶i qu©n Mü x©y dông v¬i môc ®Ých sö dông trong quèc phßng.Tuy nhiªn hÖ thèng nµy còng thßng ®îc sö dông trong d©n sù tríc khi hÖ thèng GPS ra ®êi 2.2 HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS (Global Positioning System ) §i ®«i víi sù ph¸t triÓn vÒ khoa häc kü thuËt ®ã lµ sù ph¸t triÓn vÒ ®Þnh vÞ dÉn ®êng Yªu cÇu vÒ viÖc ®Þnh vÞ dÉn ®êng thèng nhÊt trªn ph¹m vi toµn cÇu ®îc ®Æt ra trong c¸c ngµnh kinh tÕ quèc d©n, quèc phßng an ninh vµ chØ ®îc b¾t ®Çu khi kü thuËt phãng vÖ tinh nh©n t¹o ®îc ph¸t triÓn V× nã chØ cã thÓ ®Þnh vÞ ®îc dùa vµo c¸c chuÈn ngoµi tr¸i ®Êt ChÝnh v× thÕ mµ viÖc nghiªn cøu x©y dùng hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu chØ míi b¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 1960 C¸c hÖ thèng ®Þnh vÞ ®ang ® îc thùc hiÖn trªn thÕ giíi lµ hÖ thèng NAVSTA, hÖ thèng GLONASS 6 2.2.1 HÖ thèng NAVSTA HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS hiÖn nay ®îc sö dông phæ biÕn trªn thÕ giíi lµ hÖ thèng NAVSTA HÖ thèng nµy do kh«ng qu©n vµ h¶i qu©n Mü thiÕt lËp tõ n¨m 1978 víi môc ®Ých chñ yÕu dïng trong qu©n sù §Õn cuèi nh÷ng n¨m 1980, môc ®Ých sö dông cña hÖ thèng NAVSTA GPS ®îc më réng sang c¸c lÜnh vùc d©n sù B¶n chÊt kü thuËt cña viÖc ®Þnh vÞ trong hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu lµ viÖc giao héi c¹nh kh«ng gian tõ vÖ tinh nh©n t¹o ( ®îc thiÕt lËp ®Ó phôc vô ®Þnh vÞ toµn cÇu) tíi ®iÓm cÇn ®Þnh vÞ trªn tr¸i ®Êt Muèn x¸c ®Þnh to¹ ®é kh«ng gian cña mét ®iÓm trªn tr¸i ®Êt ph¶i giao héi Ýt nhÊt tõ 3 vÖ tinh Nh vËy yªu cÇu kü thuËt cña hÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu lµ: - Cã mét hÖ thèng c¸c vÖ tinh nh©n t¹o bay quanh tr¸i ®Êt trªn c¸c quü ®¹o chÝnh x¸c C¸c vÖ tinh nµy ph¸t tÝn hiÖu ®Þnh vÞ (hay cßn gäi lµ sè liÖu ®êng dÉn NAVSTA ) cho c¸c m¸y thu ®Æt trªn tr¸i ®Êt Sè lîng vÖ tinh vµ c¸c quü ®¹o vÖ tinh cÇn tÝnh to¸n sao cho ë bÊt kú thêi ®iÓm nµo trªn tr¸i ®Êt ®Òu cã thÓ nh×n thÊy Ýt nhÊt 3 vÖ tinh - M¸y thu tÝn hiÖu ph¸t tõ vÖ tinh GPS, víi c¸c gi¶i ph¸p kü thuËt phÇn cøng vµ phÇn mÒm ®Ó thu tÝn hiÖu vµ tÝnh ®îc kho¶ng c¸ch tõ m¸y thu tíi tõng vÖ tinh GPS - HÖ thèng kiÓm tra ®Ó theo dâi, ®iÒu hµnh, kiÓm so¸t, vµ hiÖu chØnh quü ®¹o cña c¸c vÖ tinh GPS - HÖ thèng NAVSTA GPS ®îc thiÕt lËp theo nguyªn lý trªn gåm 3 phÇn hÖ thèng (Segment): PhÇn kh«ng gian, phÇn ®iÓu khiÓn vµ phÇn sö dông PhÇn Kh«ng Gian (Space Segment) Lµ hÖ thèng vÖ tinh gåm 24 vÖ tinh ®îc thiÕt lËp trªn 6 quü ®¹o quanh tr¸i ®Êt Mçi quü ®¹o vÖ tinh gåm 4 vÖ tinh ph©n bè ®Òu Trªn quü ®¹o mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt gãc nhÞ diÖn 550 §é cao cña vÖ tinh kho¶ng 20190 Km, chu kú cña mét vÖ tinh bay quanh tr¸i ®Êt lµ 12 giê HÖ thèng vÖ tinh nµy ®îc hoµn thµnh vµo th¸ng 2 n¨m 1989 Víi c¸ch bè trÝ vÖ tinh nh trªn, vÒ mÆt lý thuyÕt ë mäi ®iÓm trªn tr¸i ®Êt, trong mäi thêi ®iÓm trªn tr¸i ®Êt, trong mäi thêi gian ®Òu nh×n thÊy Ýt nhÊt 4 vÖ tinh Trªn c¬ së kiÓm so¸t ®îc c¸c quü ®¹o trªn vÖ tinh cã thÓ biÕt ®îc to¹ ®é tøc thêi cña tõng vÖ tinh trong mét hÖ quy chiÕu nhÊt ®Þnh (hiÖn nay sè vÖ tinh GPS ®· lªn tíi 32 vÖ tinh) Mçi vÖ tinh ph¸t hiÖn liªn tôc c¸c tÝn hiÖu dÉn ®êng ( gäi lµ NADATA) xuèng c¸c m¸y thu tÝn hiÖu vÖ tinh sö dông C¸c th«ng tin NADATA bao gåm : HÖ thèng thêi gian; th«ng sè c¶i chÝnh ®ång bé vÖ tinh; th«ng sè vÒ quü ®¹o vÖ tinh; lÞch vÖ tinh vµ c¸c th«ng sè ¶nh hëng cña tÇng ®iÖn ly (Inospheric Delay Model Parameters) Ph¬ng ph¸p truyÒn th«ng tin tõ vÖ tinh lµ truyÒn tin theo m·: Code C/A vµ Code P Code C/A kh«ng b¶o mËt ®îc dïng trong d©n sù, Code P lµ code vÒ b¶o mËt ®îc dïng chñ yÕu trong qu©n sù ( hiÖn nay còng ®îc sö dông víi môc ®Ých d©n sù) 7 C¸c m· code P ®îc truyÒn ®i b»ng hai sãng mang L 1= 1575.42 MHz vµ L2= 1227.60 MHz t¬ng øng víi bíc sãng λ1=19cm vµ λ2=24 cm TÇn sè L1®îc ®iÒu chÕ bëi c¶ hai code C/A vµ code P TÇn sè ®îc ®iÒu chÕ bëi code P PhÇn KiÓm Tra (Control Segment) HÖ thèng kiÓm tra ®îc thiÕt lËp nh»m theo dâi,kiÓm so¸t vµ hiÖu chØnh vÖ tinh,nh»m ®¶m b¶o hÖ thèng vÖ tinh ho¹t ®éng b×nh thêng,chÝnh x¸c.HÖ thèng nµy bao gåm 4 tr¹m quan s¸t vÖ tinh (Monitor Station),3 tr¹m c¶i chÝnh (Upload Station) vµ mét tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m (Master Control Station) Nguyªn lý ho¹t ®éng cña hÖ thèng nh sau: Bèn tr¹m quan s¸t vÖ tinh liªn tôc thu tÝn hiÖu tõ tÊt c¶ c¸c vÖ tinh vµ truyÒn sè liÖu vÒ tr¹m ®iÒu khiÓn trung t©m.Tr¹m trung t©m,tÝnh to¸n ra c¸c hÖ sè c¶i chÝnh quü ®¹o,®ång hå vÖ tinh vµ truyÒn c¸c hÖ sè nµy tõ c¸c tr¹m ph¸t sè c¶i chÝnh.T¹i ®©y sè c¶i chÝnh ®îc ph¸t l¹i cho vÖ tinh Ýt nhÊt mét ngµy mét lÇn.Víi ph¬ng thøc quü ®¹o nµy sÏ ®¶m b¶o th«ng tin vÒ quü ®¹o vÖ tinh ph¸t xuèng cho c¸c m¸y thu GPS ®îc chÝnh x¸c vµ sai sè ®ång hå vÖ tinh sÏ gi¶m bít rÊt nhiÒu,trªn c¬ së ®ã ®é chÝnh ®Þnh vÞ sÏ ®îc n©ng cao PhÇn ngêi sö dông (User Segment) §o¹n ngêi sö dông vµ c¸c m¸y thu GPS,®Æt cè ®Þnh hoÆc di ®éng trªn bÒ mÆt tr¸i ®©t hoÆc trong kh«ng gian(Trêng hîp g¾n m¸yGPS ) rªn m¸y bay,tÇu biÓn…) C¸c m¸y thu GPS nµy thu tÝn hiÖu tõ trªn c¸c vÖ tinh GPS víi môc ®Ých ®Þnh vÞ vµ dÉn ®êng.Víi môc ®Ých nµy c¸c m¸y thu GPS ph¶i xö lý c¸c tÝn hiÖu võa thu ®îc tõ c¸c vÖ tinh GPS ®Ó tÝnh to¸n ra to¹ ®é kh«ng gian cña t©m antena m¸y thu GPS nh ph©n trªn ®· nªu,nguyªn lý ®Þnh vÞ cña GPS lµ :Nguyªn lý giao héi c¹nh tõ ®iÓm cÇn ®Þnh vÞ (t©m antena cña m¸y thu)®Õn c¸c vÖ tinh GPS.Nh vËy m¸y thu GPS ph¶i tÝnh dîc kho¶ng c¸ch tøc thêi tõ t©m antena ®Õn c¸c vÖ tinh GPS :§Ó tÝnh ®îc m¸y thu GPS ®Õn c¸c vÖ tinh, còng gièng nh nguyªn lý ®o kho¶ng c¸ch b»ng sãng ®iÖn tõ,cã thÓ cã 2 ph¬ng ph¸p : 1.TÝnh ®îc ®é trÔ thêi gian cña tÝn hiÖu ph¸t ®i tõ c¸c vÖ tinh GPS ®Õn khi thu ®îc tÝn hiÖu t¹i m¸y thu GPS 2.TÝnh ®îc ®é lÖch pha (di pha ) tõ tÝn hiÖu ph¸t ®i tõ c¸c vÖ tinh GPS ®Õn khi thu t¹i m¸y thu GPS Gi¶i ph¸p kü thuËt ®Ó ®o ®îc ®é trÔ thêi gian trong hÖ thèng GPS lµ ¸p dông kü thuËt t¬ng quan ngang (Cross Correclation).Ph¬ng ph¸p nµy gäi lµ ph¬ng ph¸p Code Pseudornge nh sau : VÖ tinh GPS ph¸t ®i c¸c m· code gi¶ ngÉu nhiªn (PRN code) M¸y thu GPS t¹o ra c¸c b¶n sao m· code gi¶ ngÉu nhiªn t¬ng øng ®èi víi tõng vÖ tinh.So s¸nh tong quan gi÷a hai ®iÓm m· code trªn sÏ lµm ra ®é trÔ thêi gian.H×nh vÏ sau minh ho¹ c¸c ph¬ng ph¸p Code Pseudorange: 8 Satellite (VÖ tinh) Receiver Code (M· thu) ∆t Time Delay (Thêi gian trÔ) PSEUDORANGE=c.∆t Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p ®o lÖch pha lµ :Kho¶ng c¸ch tõ vÖ tinh GPS ®Õn m¸y thu ®¬c tÝnh b»ng ®é lÖch pha cña sãng mang(Khi truyÒn tõ vÖ tinh GPS tíi m¸y thu GPS ) nh©n víi chiÒu dµi bíc sãng mang.C¸c m¸y ®o pha t¬ng øng víi phÇn lÎ cña mçi chu kú giao ®éng sãng.V× vËy ®é lÖch pha sÏ tinh b»ng sè nguyªn lÇn bíc sãng céng víi ®é lÖch pha ®o ®îc.Ph¬ng ph¸p x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch tõ vÖ tinh m¸y thu ®ªn GPS b»ng c¸ch x¸c ®Þnh ®é lÖch pha gäi lµ ph¬ng ph¸p trÞ ®o kho¶ng c¸ch pha sãng mang(Carrier Phase Pseudorange) H×nh vÏ m« t¶ nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p nµy: Carrer (Sãng mang) Ambiguit §èi víi ph¬ng ph¸p nµy cÇn t¹o m¸y thu GPS ph¶i ®¶m b¶o gi¶i quyÕt 2 vÊn ®Ò : 9 1.T¹o sãng mang ®ång thêi víi thêi ®iÓm c¸c sãng mang ph¸t ®i tï vÖ tinh GPS (gäi lµ tÝn hiÖu ®èi chiÕu ) So s¸nh tÝn hiÖu ®èi chiÕu vµ tÝn hiÖu thu ® îc tï vÖ tinh ®Ó ®o ®îc phÇn lÎ ®é lÖch pha t¬ng øng víi phÇn lÎ cña mét chu kú giao ®éng sãng 2 §Õm ®îc sè nguyªn lÇn bíc sãng tõ vÖ tinh GPS tíi m¸y thu GPS HÖ tr¾c ®Þa thÕ giíi WGS -84 VÞ trÝ cña mét ®iÓm nµo ®ã ®îc x¸c ®Þnh (®Þnh vÞ ) ph¶i hiÓu theo nghÜa: §îc ®Þnh vÞ theo hÖ quy chiÕu nhÊt ®Þnh nµo ®ã Víi môc ®Ých lµ mét hÖ ®Þnh vÞ toµn cÇu,hÖ thèng GPS ph¶i x¸c ®Þnh sö dông mét hÖ quy chiÕu thèng nhÊt trªn toµn cÇu HÖ quy chiÕu ®îc sö dông trong hÖ thèng ®Þnh vÞ GPS lµ Elip Soid GPS-80 (Geodetic Reperence System – 1980 – HÖ quy chiÕu tr¾c ®Þa n¨m 1980) ®îc ®Þnh vÞ trªn toµn cÇu theo ®Þa t©m Elip Soid GPS80 cã bµn trôc lín b»ng 6378.137 (m) vµ nghÞch ®¶o ®é rÑt 1/f = 298257223563 HÖ tr¾c ®Þa sö dông mÆt quy chiÕu GPS – 80 ®îc gäi lµ hÖ tr¾c ®Þa thÕ giíi WGS -84 (World Greodtic System) To¹ ®é x¸c ®Þnh GPS trong hÖ WGS – lµ to¹ ®é kh«ng gian 3 chiÒu HÖ to¹ ®é kh«ng gian 3 chiÒu lµ hÖ to¹ ®é ®îc x¸c ®Þnh b»ng 3 trôc to¹ ®é x,y, z T©m cña hÖ to¹ ®é 3 chiÒu lµ ®Þa t©m Trôc x n»m trªn mÆt ph¼ng xÝch ®¹o vµ ®i qua kinh tuyÕn gèc vµ ®Þa t©m Trôc y n»m trªn mÆt ph¼ng xÝch ®¹o, vu«ng gãc víi trôc y ®i qua ®Þa t©m Trôc z ®i qua ®Þa t©m vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o Z N z y X x Y HÖ to¹ ®é th«ng thêng sö dông trong tr¾c ®Þa b¶n ®å kh«ng ph¶i lµ hÖ to¹ ®é kh«ng gian 3 chiÒu mµ lµ hÖ to¹ ®é ®Þa lý B,L,H vµ hÖ to¹ ®é vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng x,y,h Tõ to¹ ®é kh«ng gian 3 chiÒu cã thÓ chuyÓn ®æi vÒ hÖ to¹ ®é ®Þa lý B L H vµ hÖ t¹o ®é vu«ng gãc (mÆt ph¼ng ) x y h (theo mét ph¬ng ph¸p n¸o ®ã) ë ®©y lu ý r»ng H lµ ®é cao tÝnh trªn ElipSoid (High Above ElipSoid) §é cao nµy kh¸c víi ®é cao chuÈn (Meal Sea Level).Quan hÖ gi÷a H vµ h ®îc biÓu thÞ b»ng biÓu thøc H = H + N ¥ ®©y N lµ ®é cao gi÷a Geoid vµ Elipsoid Thêng th× mçi quèc gia ®Òu cã mét hÖ quy chiÕu tr¾c ®Þa quèc gia riªng biÖt.Khi ®ã GPS ,To¹ ®é GPS ®îc tÝnh trªn hÖ WGS – 84.Muèn chuyÓn vÒ hÖ to¹ ®é tham chiÕu quèc gia cÇn cã tham sè tÝnh chuyÓn 10 2.2.2 HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GLONASS HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GLONASS do Nga thiÕt lËp n¨m 1993.§©y lµ hÖ ®Þnh vÞ toµn cÇu sö dông hÖ to¹ ®é kh«ng gian,vÒ c¬ b¶n cã cÊu tróc vµ nguyªn lý ho¹t ®éng gièng nh hÖ thèng GPS.Nhng kh¸c c¬ b¶n vÒ mÆt chi tiÕt kü thuËt cña hai hÖ thèng nh sau : 1.Trong khi hÖ thèng NAVSTAR GPS cã 24 vÖ tinh ®îc bè trÝ trªn 6 quü ®¹o,mÆt ph¼ng quü ®¹o vÖ tinh nghiªng so víi mÆt ph¼ng quü ®¹o tr¸i ®Êt 55 ®é,®é cao vÖ tinh kho¶ng 20.190 km vµ chu kú vÖ tinh lµ 12 giê,thi hÖ thèng GLONASS GPS cã 24 vÖ tinh ®îc bè trÝ trªn 3 quü ®¹o,mÆt ph¼ng quü ®¹o nghiªng so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt 64.8 ®é, ®é cao vÖ tinh lµ 19.100 km vµ chu kú vÖ tinh lµ 11 giê 15 phót 2 Còng gièng nh c¸c vÖ tinh cña hÖ thèng NAVSTAR GPS ,c¸c vÖ tinh cña hÖ thèng GLONASS GPS còng sö dông hai tÇn sè sãng mang (carrier frequenciens) Sö dông hai lo¹i m· code C/A vµ P code.Song hai tÇn sè sãng mang L 1 vµ L2 trong hÖ thèng NAVSTAR GPS ®îc sö dông chung cho tÊt c¶ c¸c vÖ tinh Trong khi ®ã ®èi víi hÖ thèng GLONASS GPS mçi vÖ tinh sö dông mét tÇn sè sãng mang kh¸c nhau Gi¶i tÇn b¨ng sãng L1 cña hÖ thèng GLONASS GPS tõ 1602.5625 MHz ®Õn 161505 MHz Mçi vÖ tinh cã tÇn sè kh¸c nhau 0.5625 MHz Gi¶i tÇn b¨ng sãng mang L 2 cña hÖ thèng GLONASS GPS tõ1246.4375 MHz tíi 1256.5 MHz Mçi vÖ tinh cã tÇn sè kh¸c nhau 0.4375 MHz Sù kh¸c biÖt gi÷a hai hÖ thèng lµ: §èi víi NAVSTAR GPS th× mçi vÖ tinh sö dông mét code kh¸c nhau cßn víi hÖ thèng GLONASS th× code ®îc sö dông chung cho tÊt c¶ c¸c vÖ tinh trong hÖ thèng 3 HÖ thèng NAVSTAR GPS sö dông hÖ quy chiÕu WGS -84 cßn hÖ thèng GLONASS GPS sö dông hÖ quy chiÕu SGS – 85 VÒ ®é chÝnh x¸c cña hÖ thèng GLONASS GPS tuy cha cã ®îc nh÷ng c«ng bè ®Çy ®ñ, xong cã thÓ coi hao hÖ thèng nµy t¬ng ®¬ng víi nhau vÒ ®é chÝnh x¸c HÖ thèng GLONASS GPS ®îc thiÕt kÕ tõ th¸ng 5 n¨m 1993 khi ®ã cã 12 vÖ tinh Cuèi n¨m 1993 (theo kÕ ho¹ch) sÏ cã 20 vÖ tinh vµ ®Õn n¨m 1995 th× hoµn thµnh hÖ thèng Thùc tÕ th× hÖ thèng NAVSTAR GPS ®îc sö dông réng r·i trªn toµn thÕ giíi (kÓ c¶ ViÖt Nam) h¬n hÖ thèng GLONASS GPS víi c¸c lý do sau: 1 HÖ quy chiÕu WGS 84 quen thuéc h¬n vµ ®îc sö dông réng r·i h¬n hÖ quy chiÕu SGS -85 H¬n n÷a viÖc chuyÓn ®æi gi÷a hai hÖ thèng nµy vÉn cßn lµ mét vÊn ®Ò nghiªn cøu, thèng nhÊt Víi nh÷ng thùc nghiÖm ban ®Çu th× hai hÖ thèng chªnh lÖch nhau tõ 5-10 m 2 Khi hai hÖ thèng coi lµ cã ®é chÝnh x¸c gièng nhau, th× ngêi sö dông chØ quan t©m ®Õn c¸c thiÕt bÞ thu tÝn hiÖu GPS C¸c m¸y thu GPS t¬ng øng víi hÖ thèng NAVSTAR GPS phæ biÕn trªn thÞ trêng rÊt nhiÒu so víi c¸c m¸y thu tÝn hiÖu GPS t¬ng øng víi hÖ thèng GLONASS GPS 11 3 C¸c th«ng tin vÒ hÖ thèng NAVSTAR GPS vµ c¸c dÞch vô kÌm theo réng r·i h¬n nhiÒu so víi c¸c th«ng tin vµ dÞch vô cña hÖ thèng GLONASS GPS (bao gåm c¶ vÒ tiÕp thÞ qu¶ng c¸o) 2.2.3 HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu c¶i chÝnh ph©n sai (Differential GPS) Do ¶nh hëng cña nhiÒu thµnh phÇn sai sè thÝ dô nh sai sè do ¶nh hëng cña sù t¸n s¾c vµ khóc x¹ trong bÇu khÝ quyÓn, sai sè cña ®ång hå vÖ tinh vµ ®ång hå mµy thu GPS Sai sè do ¶nh hëng cña tia ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt bëi m¸y thu GPS (multipart signal), sai sè quü ®¹o vÖ tinh…, vÞ trÝ ®Þnh vÞ b»ng vÖ tinh GPS cã thÓ bÞ sai lÖch V× vËy trong øng dông ngêi ta ph¶i t×m ra c¸c gi¶i ph¸p ®Ó gi¶m thiÓu c¸c ph©n sai trªn §ã lµ kü thuËt ®o GPS ph©n sai Nguyªn lý cña ph¬ng ph¸p nµy lµ ngêi ta sö dông m¸y thu GPS chuÈn ®· biÕt chÝnh x¸c to¹ ®é, thu tÝn hiÖu tõ vÖ tinh GPS ®Ó tÝnh ra sè c¶i chÝnh ph©n sai Sau ®ã göi sè ph©n sai tíi c¸c m¸y thu øng dông GPS sÏ tÝnh ra to¹ ®é chÝnh x¸c cña nã Chóng ta sÏ nghiªn cøu cô thÓ kü thuËt DGPS ë ch¬ng 3 12 3.4.6 Mét sè thiÕt bÞ øng dông c«ng nghÖ DGPS ë ViÖt Nam HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu (GPS) ®îc thiÕt kÕ nh»m tho¶ m·n nhu cÇu ®Þnh vÞ vµ dÉn ®êng víi ®é chÝnh x¸c cao, trong ®iÒu kiÖn thêi tiÕt vµ lµm viÖc 24/24 giê Thùc tÕ cho thÊy, víi c¸c m¸y thu DGPS cã c«ng nghÖ kh¸c nhau sÏ cho c¸c ®é chÝnh x¸c kh¸c nhau §èi víi c¸c c«ng nghÖ sö dông m¸y ®Þnh vÞ DGPS dïng c¸c m¸y thu DGPS ®a kªnh, hai tÇng c«ng nghÖ Maxwell cho ®é chÝnh x¸c mÆt ph¼ng tõ 1m ®Õn 3m thËm chÝ