Nguyên lí định vị tuyệt đối của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Báo cáo phân tích nguyên lí định vị tuyệt đối của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và giới thiệu ứng dụng của kĩ thuật GPS trong lĩnh vực khi tượng họcTừ khóa: Hệ thống định vị toàn cầu, mã khoảng cách giả, nghành khí tượng

NGUYÊN LÍ ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC KHÍ TƯỢNG HỌC

Lê Mạnh Hùng

Tóm tắt: Phân tích nguyên lí định vị tuyệt đối của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và giới thiệu ứng dụng của kĩ thuật

GPS trong lĩnh vưc khí tượng học

Từ khóa：Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) ,Mã khoảng cách giả, Nghành Khí tượng GPS ( GPS/MET)

Asbtract: This paper analyses the absolute positioning theory of global positioning system and its applications in

meteorological fields

Keywords: Global Positioning System (GPS), Pseudo range, GPS/MET

1.GIỚI THIỆU GPS

Hệ thống định vị toàn cầu tên tiếng anh là Navigation Satellite

Timing And Ranging (NAVSTAR)/Global Positioning System (GPS)

Nó có ý nghĩa là lợi dụng việc đo khoảng cách và đo thời gian của vệ

tinh để dẫn đường, tạo thành một hệ thống định vị toàn cầu GPS là

sự kết hợp giữa kĩ thuật vô tuyến điện, kĩ thuật máy tính điện tử, kĩ

thuật đo đạc và kĩ thuật không gian

Ảnh 1 miêu tả bộ phận không gian của GPS gồm: 21 vệ tinh

hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng Các vệ tinh này nằm trên 6 quĩ đạo

khác nhau, mỗi một quĩ đạo gồm bốn vệ tinh, mỗi một quĩ đạo này

nghiêng một góc 55 độ so với xích đạo và cách mặt đất khoảng

20200 km Chu kì vận hành của một vệ tinh là 11giờ 58 phút Hệ

thống GPS được bố trí như trên với mục đích là bất cứ một điểm nào

trên trái đất ở bất kì thời gian nào cũng đồng thời nhận được 4 vệ

tinh quan sát, nhiều nhất có thể lên đến 11 vệ tinh Do tín hiệu vệ

tinh không bị ảnh hưởng của thời tiết vì thế trong phạm vi toàn cầu

với bất kể người dùng nào dù trên mặt biển, đất liền hoặc không trung hệ thống GPS đều có thể định vị chính xác vị trí, tốc độ cũng như thời gian của người dùng đó Hệ thống định vị toàn cầu GPS là một trong những biểu tượng của kĩ thuật định vị hiện đại, là một trong những thành tựu quan trọng của kĩ thuật không gian trong thế kỷ 20, là sự tiếp nối thành công của kế hoạch đưa người lên mặt trăng và kế hoạch thám hiểm không gian

2.NGUYÊN LÍ ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI CỦA GPS

2.1 Nguyên lí

Nguyên lí định vị tuyệt đối của GPS là lấy tâm trái đất làm gốc tọa độ, xác định vị trí ăng-ten của máy tiếp nhận ở trọng hệ tọa độ WGS-84 Do trong quá trình định vị chỉ cần dùng đến một máy tiếp nhận, nên được gọi cách khác là định vị đơn điểm

Nguyên lí cơ bản của phương pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách đo được giữa vệ tinh và ăng-ten của máy tiếp nhận làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy tiếp nhận ở trên mặt đất Phương pháp đinh vị tuyệt đối của GPS thực chất là phương pháp không gian giao hội nghịch Do đó ở mỗi máy tiếp nhận, chỉ cần phân biệt xác định ba khoảng cách từ máy tiếp nhận đến ba vệ tinh khác nhau là được, tức là máy tiếp nhận sẽ nằm trên giao điểm của ba đường tròn có tâm lần lượt là ba vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ các vệ tinh đến máy tiếp nhận Tuy nhiên do GPS áp dụng nguyên tắc tính khoảng cách một chiều, vì thế giữa đồng hồ của vệ

Ảnh 1： Bộ phận không gian của GPS

tinh và và đồng hồ của máy tiếp nhận khó có thể

đồng bộ Khoảng cách đo được từ vệ tinh đến máy

tiếp nhận, do bị ảnh hưởng bởi sai số thời gian của

vệ tinh và sai số thời gian của máy tiếp nhận nên

được gọi là khoảng cách giả (Pseudo range).Sai số

của đồng hồ vệ tinh có thể được điều chỉnh bởi

những bức điện dẫn đường (chứa các thông tin

định vị như thông tin hành trình của vệ tinh, trạng

thái hoạt động, thời gian đã sửa, khoảng cách bị

chậm ở tầng điện li đã sửa, sự khúc xạ ở tầng khí

quyển đã sửa vv )”, tuy nhiên đối với đồng hồ của

máy tiếp nhận rất khó để có thể dự báo trước và

sửa thông số Vì thế, coi thông số thời gian này như

một tham số cùng với các tham số tọa độ của máy

tiếp nhận là các ẩn phải tìm Do đó ở bất kì một

máy tiếp nhận tín hiệu GPS nào trên mặt đất nếu muốn xác định tọa độ của máy đó thì lúc nào cũng phải giải hệ phương trình bốn ẩn (ba ẩn là ba hệ tọa độ của máy và một ẩn là sai số thời gian), tức là ít nhất phải xác định bốn khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy tiếp nhận Điều này có nghĩa là ở một điểm bất kì phải ít nhất có bốn vệ tinh cùng theo dõi

2.2 Đo mã khoảng cách giả

Để thiết lập phương trình tính khoảng cách giả, ta qui ước một số kí hiệu sau:

)

(GPS

t j biểu thị thời gian tiêu chuẩn GPS ngay ở thời điểm phát tín hiệu của vệ tinh thứ j；

)

(GPS

ti biểu thị thời gian tiêu chuẩn GPS ngay ở thời điểm nhận tín hiệu của máy tiếp nhận thứ i；

j

t là thời gian tương ứng của vệ tinh ghi trên mặt đồng hồ；

i

t là thời gian tương ứng của máy tiếp nhận ghi trên mặt đồng hồ；

j

t

 biểu thị sai số giữa thời gian trên mặt đồng hồ và thời gian tiêu chuẩn GPS；

i

t

 biểu thị sai số giữa thời gian ghi trên mặt đồng hồ của máy tiếp nhận và thời gian tiêu chuẩn của GPS;

Ta có mối quan hệ thời gian như sau:

i i

i

j j

j

t GPS t t

t GPS t t













) (

) (

Vì vậy, thời gian để tín hiệu từ vệ tinh đến máy tiếp nhận là:

j i j

i j i j

i t t t GPS t GPS t t

Nếu không xét đến ảnh hưởng của sự khúc xạ ở tầng khí quyển Thì nếu lấy thời gian truyền tín hiệu nhân với vận tốc ánh sáng C ta được khoảng cách giả từ vệ tinh Sjđến máy tiếp nhận Ti

j i j

i j i j

i C t C t GPS t GPS  t  t

~

Đồng thời, nếu dùng kí hiệu ij biểu thị khoảng cách hình học giữa vệ tinhSj đến Ti； j

i t

 là sai số thời gian tương đối giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ của máy tiếp nhận thì

)]

( ) ( [ t GPS t GPS

j



Và

j i j

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5) Ảnh 2：Nguyên lí định vị tuyệt đối của GPS

Nếu thay công thức (2-4) và (2-5) vào công thức (2-3)，ta được phương trình đơn giản của khoảng cách giả

j i j

i j

i  C  t

Số hạng thứ hai j

i t

C  biểu thị khoảng cách bị lệch do ảnh hưởng của sự chêch lệch thời gian，Nếu ta xét đến ảnh hưởng của khúc xạ ánh sáng ở tầng khí quyển, thì phương trình của khoảng cách giả được viết lại là:

) ( )

(

~

t T t I t

C i j i j i j j

i j

Trong công thức này  Ii j(t )là độ lệch khoảng cách ở thời điểm t khi tín hiệu đi qua tầng điện li， Ti j(t )là độ lệch khoảng cách ở thời điểm t khi tín hiệu đi qua tầng đối lưu Trong công thức (2-7)i jlà một phương trình không

tuyến tính, biểu thị khoảng cách hình học giữa vệ tinh và máy tiếp nhận

2 2

2

) ) ( ( ) ) ( ( ) ) (

j

i X t  X  Y t  Y  Z t  Z



Ở đâyX j(t )，Yj(t )，Zj(t ) là tọa độ của vệ tinhSjở hệ không gian ba chiều gốc là tâm trái đất ,Xi，Yi，

i

Z là tọa độ của máy tiếp nhậnTiở hệ không gian ba chiều gốc là tâm trái đất Để thuận lợi cho việc tính toán ta chuyển

j

i

 sang hệ tuyến tính Nếu giả sử:

i i

i i

i i

Z Z

Z

Y Y Y

X X

X



















0 1

0 1

0 1

Trong công thức( Xi0, Yi0, Zi0) là tọa độ giá trị gần đúng của máy tiếp nhận Nếu coi các bức điện dẫn đường cung cấp tọa độ của vệ tinh là một số cố định, thì dùng khai triển Taylor đạo hàm bậc một cho hàm sối j(t ) ,tâm là

)

,

,

( Xi0 Yi0 Zi0 thì ta được:

i i

j i i i

j i i i

j i j

i j

Z

t Y

Y

t X

X

t t























)



Trong đó

) ( )

) ( ( )) ( (

1 )

) ( (

) ( )

) ( ( )) ( (

1 )

) ( (

) ( )

) ( ( )) ( (

1 )

) ( (

0 0

0

0 0

0

0 0

0

t m Z

t Z t

Z t

t l Y

t Y t Y

t

t k X

t X t

X t

j i i

j j

i i

j i

j i i

j j

i i

j i

j i i

j j

i i

j i























































Do đó thiết lập được phương trình tuyến tính của i j như sau:

i j i i j i i j

i j

i j

i  t k t  X l t  Y m t  Z

) ) ) ( ( ) ) ( ( ) ) ( [(

)) (

j

i

 là khoảng cách hình học gần đúng giữa vệ tinh và máy tiếp nhận, thay (2-11) vào (2-7) ta có phương trình tuyến tính của khoảng cách giả là

) ( )

( )

( )

( )

( ))

(

~

t T t I t C Z t m Y t l X t k

j i j

Xác định được khoảng cách giả từ mỗi vệ tinh tới máy tiếp nhận, giải phương trình 4 ẩn X ，Y ，Z ，t từ đó

(2-6)

(2-7)

(2-8)

(2-9)

(2-10)

(2-11)

(2-12)

xác định được vị trí của máy tiếp nhậnTi Dùng phương pháp định vị tuyệt đối (định vị đơn điểm) kết quả thường bị ảnh hưởng bởi sai số của lịch trình vệ tinh, sai số trong quá trình truyền sóng và sự ảnh hưởng của sự phân bố khác nhau trong không gian của các vệ tinh cho nên độ chuẩn xác của định vị này thường thấp Phương pháp định vị này thường phù hợp cho định vị của ô tô, thuyền, máy bay, điều tra địa chất, điều tra lâm nghiệp vv

3．ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG ĐO LƯỜNG THÔNG SỐ THỜI TIẾT

Trong quá trình phát triển của GPS, cả lĩnh vực nghiên cứu và lĩnh vực ứng dụng đều được phát triển một cách mạnh mẽ, một trong những ứng dụng quan trọng là nghiên cứu về ngành khí tượng Lợi dụng nguyên lí và kĩ thuật của GPS ứng dụng viễn thám (remote sensing) tầng khí quyển của trái đất, tiến hành nghiên cứu khí tượng học, như xác định nhiệt độ hoặc hàm lượng hơi nước, kiểm tra sự thay đổi khí hậu vv Thực hiện những việc nghiên cứu như thế này gọi là ngành Khí tượng GPS（GPS/ME Teorology, viết tắt là GPS/MET )

3.1 Phân loại trong Ngành khí tượng GPS

Dựa vào sự phân bố của các điểm tiếp nhận tín hiệu GPS của hệ thống GPS/MET mà chia thành hai loại : (1) Khí tượng GPS mặt đất (ground-based GPS/MET）, (2) Khí tượng GPS không gian（space-based GPS/MET）

Năm 1992 M.Bevis cùng các cộng sự có đề cập đến việc dùng các số liệu đo được của GPS tiến hành xác định hàm lượng nước trong bầu khí quyển để cải thiện tính chính xác của việc dự báo thời tiết Dưới mối quan hệ mật thiết giữa ngành đo đạc GPS và ngành khí tượng, phương pháp này đã được phát triển một cách nhanh chóng, hình thành nên một lĩnh vực khoa học mới- Khítượng GPS mặt đất

Khí tượng GPS không gian được ứng dụng trện kĩ thuật vô tuyến điện tín hiệu che khuất ( Radio occultation) kĩ thuật này đươc các nhà thiên văn sử dụng lần đầu vào đầu thế kỷ 18 Những năm 60 của thế kỷ 20 phòng thí nghiệm JPL và Đại học Stanford của Mỹ đã có một bước mới trong việc lợi dụng tín hiệu này nghiên cứu tầng khí quyển Trong quá trình hơn 30 năm thực hiện các kế hoạch đọ đac trong không gian của Cục quản trị Hàng không và Không gian Quốc gia Hoa Kỳ (NASA), kĩ thuật tín hiệu che khuất cũng liện tục có những tác dụng quan trọng Những năm đầu thập niên Những năm 80 của thế kỷ 20 các nhà khoa học bắt đầu ứng dụng kỹ thuật tín hiệu che khuất nhằm tiến hành thăm

dò tầng khí quyển Năm 1991 T.K.Meehan cùng cộng sự ở phòng thí nghiệm JPL lợi dụng môt máy tiếp nhận GPS đặt ở trên đỉnh núi và một vệ tinh GPS dung kĩ thuật tín hiệu che khuất để quan sát Năm 1992 K.R.Hardy cùng cộng sự dựa vào lí luận lợi dụng các máy tiếp nhận GPS được đặt trên các vệ tinh ở quĩ đạo thấp kết hợp với các vệ tinh GPS thông qua phương pháp kĩ thuật tín hiệu che khuất và đã xác định được các tham số của tầng khí quyển Năm 1995 Hiệp hội nghiên cứu tầng khí quyển của các trường đại học ở Mỹ (UCAR) thực hiện kế hoạch GPS/MET thành công, chứng

minh việc lợi dụng quĩ đạo thấp có thể tiến hành kiểm định được đồ thị biểu diễn nhiệt độ(temperature proflile)

Phương pháp này được gọi là khí tượng GPS không gian Khí tượng GPS mặt đất và khí tượng GPS không gian hỗ trợ

bổ sung cho nhau, và cùng được gọi là ngành Khí tượng GPS

3.2 Nguyên lí của Ngành Khí tượng GPS

Hệ thống vệ tinh của GPS phát tín đi các tín hiệu (là các sóng điện từ) khi đến các trạm tiếp nhận dưới mặt đất phải vượt qua tầng khí quyển Khi sóng điện từ vượt qua tầng khí quyển vận tốc truyền sóng cũng như đường đi của sóng đều bị ảnh hưởng Vì thế tín hiệu vệ tinh phải thông qua hiệu chỉnh mới phù hợp với thực tế Việc hiệu chỉnh này không chỉ liên quan đến không khí khô mà còn liên quan đến mật độ điện tử trong tầng khí quyển, hàm lượng hơi nước Những năm đầu 90 thế kỷ 20 các nhà khoa học có đặt ra một câu hỏi ngược lại: Có thể dùng các máy tiếp nhận GPS sau khi nhận được các tín hiệu từ các vệ tinh để tính ngược lại được mật độ điện tích và hàm lượng hơi nước ? Thực tế đã chứng minh là hoàn toàn có thể tính được hàm lượng hơi nước (lượng nước có thể gây mưa) trong không khí mà việc này đối với việc dự báo khí tượng và phân tích khí hậu là vô cùng quan trọng Hơn nữa GPS lại có thể có thể quan sát ở bất cừ thời gian nào, vì thế đã hình thành lên một phương pháp mới là dùng một máy tiếp nhận GPS cố định thông qua

đo đạc để xác định lượng hơi nước có trong khí quyển, và nghành Khí tượng GPS cũng ra đời từ đây

3.3 Ứng dụng Ngành Khí tượng GPS

3.3.1 Dự báo thời tiết

Hệ thống quan sát GPS/MET có thê 24/24h quan sát trái đất, cung cấp các thông tin chính xác các dữ liệu về nhiệt

độ, áp suát, độ ẩm để dự báo thời tiết

3.3.2 Giám sát sự biến đổi khí hậu của Trái đất

Hệ thống quan sát GPS/MET có thể tính toán được tỉ lệ khúc xạ của tầng khí quyển Mà sự khúc xạ này chính là hàm số của nhiệt độ và độ ẩm của lương khí đó Vì thế có thể trực tiếp dùng tỉ lệ khúc xạ của tầng khí quyển làm ”máy

đo sự biến hóa toàn cầu”

3.3.3 C á c ứng dụng khác

Các số liệu quan sát của GPS/MET có thể cung cấp liên tục các ảnh chiếu của tầng điện li Việc này có tác dụng hỗ trợ trong việc nghiên cứu tầng điện li/ tầng nhiệt và các quá trình động lực Ví dụ, sóng trọng lực làm cho tầng khí quyển ở tầng trung lưu và tầng điện li tiến hành trao đổi năng lượng và động lượng Thông qua hàm lượng điện tử (TEC) được tính toán trong tín hiệu trên đường đi giữa vệ tinh LEO (Lower Earth Orbit) và vệ tinh GPS để xác định được sóng trọng lực

4.KẾT LUẬN

GPS ra đời thực sự là một bước đột phá trong khoa học, nó không chỉ ứng dụng trong lĩnh vực quân sự ( dẫn đường thu thập các tin tức tình báo của các mục tiêu quân sự ) mà còn cả trong dân dụng (dẫn đường trong thành phố, đo lường các thông số thời tiết, dẫn đường cho tàu bè xuất nhập vào bến tàu…) Trong tương lai GPS cùng với hệ thống tin tức địa lí (GIS) và hệ thống viễn thám (RS) sẽ taọ thành một hệ thống 3S đầy tiềm năng GPS/GIS/RS

Ngoài ra cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật của các quốc gia mà hiện nay đang hình thành lên một hệ thống mới-GNSS(Global Navigation Satellite System) gồm GPS và các hệ thống dẫn đường tăng cường khác như Glonass (trước thuộc Liên Xô cũ nay thuộc về Nga), Galileo (Liên minh Châu Âu), Bắc đẩu 2 (Trung Quốc) Vì thế trong tương lai xu hướng của các máy tiếp nhận là tiếp nhận tổng hợp các tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh của các hệ thống dẫn đường,

từ đó giúp cho việc xác định vị trí của chúng ta ngày càng trở lên chính xác và nhanh chóng

Tài liệu tham khảo

[1] Đại học Hà Hải (Bộ môn trắc địa）（2007）， Trắc địa ，Nhà xuất bản công nghiệp quốc phòng，P113- P119 [2] LiTianWen（2003）, GPS Nguyên lí và Ứng dụng ，Nhà xuất bản khoa học，P79-P81, P252-P254

[3] LiZhengHang, XuXiaoHua (2003）， Những kĩ thuật tiến tiên nhất của hệ thống định vị toàn cầu (Ngành Khí tượng

GPS) ，Journal of Geomatics P1-P2