Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation)

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối.Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cầnquan trắc và phả

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 4

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 4

I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): 4

I.1.2 Phần không gian (Space Segment): 4

I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: 4

I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 4

I.1.3 Phần sử dụng (User Segment): 5

I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng 5

I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS 5

I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: 6

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS 7

I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động 7

I.3.2 Phép định vị tương đối 7

I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu 8

I.3.4 Phép định vị động tương đối 8

I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác 8

I.3.6 Độ suy giảm chính xác 9

I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS 9

I.4.1 Sai số do đồng hồ 9

I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh 9

I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 9

I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu: 9

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 10

1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 10

I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất 10

I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: 10

I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển 11

I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 11

I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không 11

I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian 11

I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí 11

I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội 11

I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY 12

I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo: .12

I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới: 13

I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS: 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO 14

II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG 14

II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 14

II.3 ĐO GPS 16

II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES) 17

II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) 17

II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) 18

II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 20

II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 21

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA .23 (Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation) 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

MỞ ĐẦU

Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở ViệtNam từ năm 1991 Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đãgấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ

độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống(phương pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rấtlớn và trong thời gian dài mới thực hiện được Trong những năm 1991 đến 1994, theo kếhoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ

đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông

Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo vàquần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền

Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn

Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên

82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khốngchế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng đểxây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụngtrong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xâydựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản

đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độcao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử lýtính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu,như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASEPROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v và 1phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng

Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPSchúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm 3 chươngsau đây:

Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS

Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS đểthành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation)

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER.GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống này bắt đầu đượcnghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì Trong những năm đầu của thập kỷ 80quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiềunước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnhvực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong haihướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệucho các mục đích khác nhau

Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt đượctrình độ cạnh tranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lýmang tính phổ cập Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chínhnhư: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL(Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãngTRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất

Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của

nó Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra Chế biến các tín hiệu nàybằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hìnhhọc và vật lý khác nhau của trái đất Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận Vớicác tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chínhxác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độchính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độcao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl) Ngoài racòn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu

Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM.NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING

Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian(Space Segment) và phần sử dụng (User Segment)

I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):

Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station):Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (MasterControl Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắc địa đặt trên 4 trạmnày được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làmnhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệtinh Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ

đó gửi tiếp tới các vệ tinh Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã đượchiệu chỉnh để phát cho các máy thu

I.1.2 Phần không gian (Space Segment):

I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ,phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o Việc bố trí nàynhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệtinh

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60MHz Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1 Mã nàyđược gọi tên là mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A(Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023MHz Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệtinh Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao

Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt độngkhông khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điềukhiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạtđộng khỏe" và "hoạt động không khỏe"

I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz

và tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chếbởi những tín hiệu khác nhau

Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/

Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần sốfo/10= 1.023 MHz Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu

nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các

số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi này chỉ lặp lạisau 267 ngày Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày Trong 38 đoạn này

có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sửdụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh

khác nhau Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P Tuy

nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khiphương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sửdụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ vàđồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y)

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trongkhi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y

Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị

số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữnguyên không thay đổi

Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới

dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụngtình trạng và vị trí của vệ tinh Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vàoviệc xác định vị trí của máy theo thời gian thực

I.1.3 Phần sử dụng (User Segment):

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàuthủy Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số Máy thu 1 tần

số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2sóng mang L1 và L2 Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với

độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cáchnhỏ hơn 50 km Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chínhxác cỡ dm) Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sửdụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất Toàn bộ phầncứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m

* Phần triển khai công nghệ

Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF(Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặcđiểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việcngoài trời và dễ thao tác

Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổinhững thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích Nhữngchương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những

ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình này có thể sử dụng được trongđiều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích vềtrạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành Ngoài ra trong phần mềm còn baogồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được cácnhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác

Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiếnthiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyềnsóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liênkết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khácnhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị

I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS.

Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:

* Ăngten và bộ tiền khuếch đại

* Phần tần số vô tuyến (RF)

* Bộ vi xử lí

* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện

* Thiết bị ghi chép

* Nguồn năng lượng

Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm

sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phươngtiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó đượctruyền lên mốc trắc địa

Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa

và giải tích Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôichút, các phương pháp này là :

* Tương quan mã

* Phase và tần số mã

* Cầu phương tín hiệu sóng mang

Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên

để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến

12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau

Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí Kíck thước và

kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau

Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan

trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được

Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp

thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều

I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:

Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên

lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạtđộng trên một nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đấtchúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức:

p

s p

s p

   (  )2  (  )2 (  )2 (1)

ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;

p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;

c - Tọa độ sóng;

t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu

t - Số hiệu chỉnh thời gian

Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn số

là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theođồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹthuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m Nếu kết quả trên được gửitới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1

m Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo,

còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác Qua đây chúng ta thấy tọa độtuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER Sở

dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệtđối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích:

- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay )

- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS

Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thànhtựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác địnhpha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

s(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;

p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;

s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số hiệuchỉnh đồng hồ vệ tinh)

sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây rakhông phụ thuộc thời gian (chủ yếu là s(to) - p(to) + Ns

p , trong đó to là thời điểm bắt đầuđo)

Công thức (6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo tọa

độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho khử đượccác thành phần hệ thống p(t), s(t) và p

Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việclàm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độchính xác cao của vị trí được xác định Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhậnđược những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặcgần như đồng thời) không có số đo dư thừa

Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theothời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải thiện đượctrị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khikết thúc công tác ngoài trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution)

Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gianthực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm Một chuỗi các kếtquả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể được xử lýbằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn

I.3.2 Phép định vị tương đối.

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối.Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cầnquan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đonày là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối

thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy Các sai số này có thể được loại trừ hoặc

ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộcCục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semikinematic positioning) Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy diđộng lang thang xung quanh Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì

có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóngmang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang Kiến nghịnày có hai ngụ ý:

* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số đosóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã

* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnhhàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất

I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu.

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máythu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung, một mạng lưới luôn có cấuhình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo tronglưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học Các trị

đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai sốngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khichỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thếmới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường,liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giaiđoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần phải đặcbiệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻtiền nhất

I.3.4 Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép định vịđiểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vịphân sai (differential) tương đối ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tạilàm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống nhưnhững vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả

các vệ tinh nhìn thấy được) Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại

và sự hoạt động của đồng hồ Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự

li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại vàđồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có nhữngbiến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và tronghoạt động của đồng hồ

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máythu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực Kết quả của cácnghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệuchỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệuchỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động

Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu vàthông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệtinh

I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.

Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vịtrí vệ tinh và độ chính xác đo đạc Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS làsai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thểhiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai sốđồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu

Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xácDOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chínhxác đo, hoặc:  = DOP o

Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)

 là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)

DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ chínhxác của vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ chínhxác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ Các trị số DOP thườngdùng nhất là:

VDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ

HDOP o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D

PDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D

TDOP o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian

THDOP o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.

GDOP o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian

Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổngbình phương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗi DOP đều tươngđương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tươngứng với những tham số chúng ta quan tâm

I.3.6 Độ suy giảm chính xác.

Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố vệtinh GPS Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổitheo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia

Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt Giả thiết độ chính xác trị số đo là

10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m Nếu trị DOP gần bằng đơn

vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tìnhhuống may mắn nhất)

I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS

I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh

Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler

do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởngcủa sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lựccủa bức xạ mặt trời, Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyểnđộng được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặtđất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số Có hai loạiephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chính các thời điểm nằmtrong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên chomáy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được

cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phépkhách hàng sử dụng Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác địnhtoạ độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định

vị tương đối giữa hai điểm

I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tínhiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ

lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần sốcủa tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần

số tải khác nhau Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác cao người ta sử dụng cácmáy thu GPS 2 tần số Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần

số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho trường hợpđịnh vị ở khoảng cách ngắn Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần

so với ban ngày

Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng lànhiệt độ, áp suất và độ ẩm Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ởcách nhau không quá vài chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữahai điểm quan sát

Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quansát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời

I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cảcác tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây rađược gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạomáy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten

Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai sốphụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xácsuất 95% Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là 50 m Song các giá trịnày mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải làsai số của bản thân vị trí điểm quan sát Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giaohội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức

là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát để có được sai số vị trí điểmquan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1 Hệ số này

đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution ofPrecision - DOP) Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chínhxác.

Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì nó đặctrưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t Hệ số GDOP từ

- Đo đạc địa chính

- Lập lưới khống chế trắc địa

- Theo dõi độ biến dạng cục bộ

- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ

Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4 Người ta có thểđạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS

Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao Độ chính xác yêucầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km Độ chính xácnày có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phầnmềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũngđược thành lập bằng phương pháp GPS

Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòihỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km Đối với những ứng dụng này, độchính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi củacác tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặtăng ten Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiệntượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu

Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ

chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõibiến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải

có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu quatầng khí quyển và các độ lệch khác.

I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất

Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụnghầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống Trong việc xác định các hànhtrình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằngGPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xungquanh phương tiện với bản đồ truyền thống Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đốivới các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ

Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu cácphương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS

Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểmtrung tâm được thể hiện trên màn hình

I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:

Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệGPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi Đối với công tác trắc địabiển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vàiđềcimét đến một vài chục mét Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuậtquan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đophase sóng mang Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫnđường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng Các yêucầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu vềđịnh vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS

Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều có thểdùng GPS làm công cụ định vị

I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển

Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lýtưởng Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét(trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đườngđi) Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phasesóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cầnđến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ đượcnâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thểđược đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyềnchính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương.

I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không

Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹthuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh

Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vàichục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS Phép xử lý sau với độ chínhxác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vaitrò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo Yêu cầu về độ chính xác của phépđịnh vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từngloại tỉ lệ bản đồ khác nhau

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếpbản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với

độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng Người ta trông đợi

hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo

Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy.Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảmbiến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực

Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộcảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS

I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sửdụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế

đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS

Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc ), nhữnglĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyểnhàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay

I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian

Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị vàđịnh hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa

của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình tronglĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada Các

vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiến hoặc đơngiản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậm chí thay thếphép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay

I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.

Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm Hiện nay ở mức giámột vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thuGPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay) Trong trường hợpnày, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho nhữngmáy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng

I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội

Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theothời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên

bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đườngtích hợp Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thịcác vụ nổ hạt nhân

I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH

TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY

Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để đạt được cácthành tựu mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật Nói chung các thay đổi chủyếu về kỹ thuật GPS là:

 Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều hơn trên mỗiđiểm đo;

 Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn trong thutín hiệu như trước đây;

 Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian;

 Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số nhiễu tínhiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanhantenna;

 Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế sai số do quỹđạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu

Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến naynhư sau:

I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo:

Trong công nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắc phục đãđược áp dụng như sau:

Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu vàotoạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange Vì vậy, thông thường toạ độ tuyệtđối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác khoảng từ 10 mtới100 m Toạ độ này có vai trò rất quan trọng trong việc tính toán gia số toạ độ X, Y, Zcủa các base line Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đối của một đầu base line tăng được từ100m tới 2m thì độ chính xác của X, Y, Z có thể tăng thêm được 1 dm Chính vì vậyngười ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được các base line có độchính xác cao Để khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:

Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể cóđược nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không tiện dùng vì phải chờđợi trong thời gian không ngắn

Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệuchỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạtđược tới 1 m Độ chính xác này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết quả đotoạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ theo các base line từ 1 điểm gốc toạ độ tuyệtđối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế

Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệ RTCMvới các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cố định toàn cầu.Công nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như

ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc trên khoảng cách dài

Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớp khíquyển gần mặt đất Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn mà không đáng kể

trên khoảng cách dài Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệuchỉnh Đến nay các phần mềm đã sử dụng số hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độchính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh do nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.

Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do cácnguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPSphản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến cácantenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phầnmềm (cả firmware và software)

Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng hồ

vệ tinh và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác kếtquả đo GPS Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làm ngay được, ví dụ nhưlắp đặt các đồng hồ nguyên tử như trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giáthành máy thu Người ta chỉ có thể cải tiến các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khảnăng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệ tinh

Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base line

có độ chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990 Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng được

độ chính xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạtđược

I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới:

Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số đo.Người ta tập trung vào 2 giải pháp sau đây:

Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có được để loạitrừ sai số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệtinh, hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểmmặt đất Sử dụng hiệu bậc mấy để có một lời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quátrình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềmTRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994, đến 1995 họ đã thay thếbằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn nhiều

Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gianngười ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu ngẫunhiên Trong phần mềm mới GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ lọcmới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý các base line