Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Hiểu được lịch sử phát triển, lý thuyết chung, các hệ tọa độ quán tính, GPS chính xác như thế nào, nguyên tắc hoạt động, một số ứng dụng của hệ thốn

Trên thế giới, hệ này do Bộ Quốc Phòng Mỹ lập ra năm 1976, ban đầu chỉ

để phục vụ cho quân đội Mỹ Đến năm 1980 Mỹ quyết định đối với hệ này có phần dành cho quân đội, có phần mở rộng cho dân sự và phổ biến trên toàn cầu Ở bất cứ nơi nào trên trái đất, cả ngày lẫn đêm ai cũng có thể nhận được tín hiệu từ

hệ GPS này Như trong cuộc chiến ở Irắc năm 2003, quân sự Mỹ đã dùng bom điều khiển bằng GPS để bom ném xuống đến đúng mục tiêu với độ chính xác cao, hay viễn thông Hàn Quốc đang dùng để quảng cáo di động,…

Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ GPRS, DGPS (là công nghệ mới đầy triển vọng) góp phần quan trọng vào công cuộc phát triển và xây dựng ngành công nghệ viễn thông trên toàn thế giới

Trên cơ sở này giúp chúng ta hiểu và củng cố được kiến thức về lý thuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS Chính vì lý do trên mà tôi đã chọn

đề tài “Hệ thống định vị toàn cầu GPS” làm đề tài khóa luận tốt nghiệp của mình

2 Mục đích nghiên cứu

Nắm được nguyên tắc hoạt động và ứng dụng của hệ thống định vị toàn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

- Một số ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPRS, DGPS

- Một số ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPRS, DGPS

4 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS, GPRS, DGPS

5 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và một số ứng dụng của hệ thống trong thực tế

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Hiểu được lịch sử phát triển, lý thuyết chung, các hệ tọa độ quán tính, GPS chính xác như thế nào, nguyên tắc hoạt động, một số ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

7 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết

8 Cấu trúc khóa luận

Chương 1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương này đã giúp chúng tôi tìm hiểu về lịch sử phát triển, lý thuyết chung, các hệ tọa độ quán tính, GPS chính xác như thế nào, nguyên tắc hoạt động và một số ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 2 Hệ thống định vị toàn cầu GPRS, DGPS

Chương này chúng tôi đã tìm hiểu tổng quan về hệ thống và một số ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPRS, DGPS

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, cơ quan hàng không và vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, và phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT

có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler, được sử dụng trong thương mại vào năm 1967

Sau hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời

có tên là NAVSTAR - GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System) gọi tắt là GPS Hệ thống này ban đầu là 24 vệ tinh triển khai trên sáu quỹ đạo nghiêng 0

55 so với mặt xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 12600 dặm (12200 km) So với hệ thống TRANSIT độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao, thời gian quan trắc được rút ngắn Cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có

hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một

hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của cộng đồng Châu Âu

Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu của thập kỷ 90 Với 5 máy thu vệ tinh loại Trimble ban đầu, sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn

mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế Những năm sau đó công nghệ

GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp “0” lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới địa chính cơ sở hạng ba phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác

1.1.2 GPS là gì?

GPS là hệ thống định vị toàn cầu được cấu tạo như một chòm sao (có nghĩa cấu tạo của một nhóm hay một hệ thống) của quỹ đạo vệ tinh mà kết hợp với thiết bị ở mặt đất, cho phép người sử dụng quyết định vị trí chính xác của họ bất kỳ lúc nào trên bề mặt trái đất ở bất kỳ thời gian nào Có 24 vệ tinh trên quỹ đạo bay

1.1.3 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu là dịch từ tiếng Anh Global Positioning System, gọi tắt là GPS, việc sử dụng hệ GPS này hiện nay đã rất phổ biến xung quanh ta

Trước đây, tàu thuyền đi giữa biển mênh mông phải nhờ la bàn (la bàn nam châm, la bàn con quay) mới biết được phương hướng Ngày nay đa số tàu thuyền được trang bị máy thu GPS, bất cứ ngày hay đêm nhìn vào bản đồ của máy thu ta cũng biết được tàu thuyền đang ở vị trí nào trên mặt biển (kinh

độ - vĩ độ) Ôtô có GPS như có người dẫn đường thành thạo cùng đi Với bản

đồ điện tử của máy GPS, người lái biết ngay ôtô đang ở vị trí nào hay muốn

đi đến địa chỉ này, địa chỉ nọ trên bản đồ, cần rẽ phải hay rẽ trái, còn bao nhiêu km thì đến nơi,… Gắn chíp điện tử có GPS vào con rùa rồi thả xuống sông, xuống biển bất cứ lúc nào cũng biết được rùa đã bò đến đâu di cư theo hướng nào? Thời gian theo dõi có thể đến năm bảy năm, tùy thuộc vào tuổi thọ của pin gắn vào máy GPS Viễn thông Hàn Quốc đang quảng cáo điện thoại di động có gắn GPS dùng cho trẻ con đi học Không cần hỏi, chờ con trả lời gì cả bất kỳ lúc nào bấm máy di động của mình cũng biết được con đang ở

Trong triển lãm Telecom ở Hà Nội từ 9-12 tháng 11 năm 2004 tập đoàn Champion Communication Services (Mỹ) đã giới thiệu công nghệ mới giúp định vị và quản lý ôtô dựa trên GPS Mỗi xe ôtô có gắn một máy thu GPS to bằng quyển sách con, máy thường xuyên cung cấp thông tin về vị trí của ôtô Công nghệ GSM/GPRS của tập đoàn được dùng để tải thông tin này về trung tâm xử lý dữ liệu rồi tải lên internet Chủ hãng xe ô tô qua internet có thể biết được bất kỳ chiếc xe nào của mình đang ở đâu, chạy theo hướng nào, thậm chí theo dõi được trước đấy nhiều ngày xe đã đến những vị trí nào, vào thời gian nào Bước đầu giá mỗi máy gắn vào xe là 500 USD và chi phí phục vụ dịch vụ là 25 USD/tháng

Nói sang lĩnh vực quân sự, trong cuộc chiến ở Irắc năm 2003, Mỹ đã dùng bom điều khiển bằng GPS, để bom ném xuống đúng mục tiêu với độ chính xác cỡ mét So với bom điều khiển bằng laze như loại năm 1971 Mỹ đã dùng để ném phá ga Hàng Cỏ và cầu Long Biên ở Hà Nội, thì loại bom điều khiển theo GPS không sợ ảnh hưởng của thời tiết, không cần trợ giúp khi ném bom vì GPS cài ở bom luôn luôn cho biết bom đang ở vị trí nào, theo đó điều khiển cho bom rơi xuống đúng vị trí dự định đã được cài đặt sẵn trước khi nén bom (ở bom điều khiển bằng laze, quả bom sau khi ném được tự động điều khiển cho rơi xuống đúng nơi có chùm tia laze chiếu đến Vì vậy bên cạnh máy bay ném bom, còn cần có máy bay chiếu tia laze xuống mục tiêu để chỉ điểm Nếu trời mây mù tia laze không chiếu đến được, hoặc viên phi công làm nhiệm vụ chiếu laze bị tấn công hoảng loạn chiếu sai, thì việc điều khiển

tự động đến đúng mục tiêu bị mất tác dụng) Khó nói hết những công dụng của GPS Hệ thống này luôn được cải tiến nhằm mục đích xác định vị trí ngày càng chính xác.[1]

1.1.4 Tổng quan và xu hướng ứng dụng hệ thống dẫn đường quán tính (INS) có hiệu chỉnh bằng hệ thống định vị vệ tinh (GPS)

1.1.4.1 Giới thiệu về hệ thống dẫn đường quán tính

Hệ thống dẫn đường quán tính (HTDĐQT) dựa trên nguyên lý tính quãng đường đi qua để xác định các tham số chuyển động (tịnh tiến, quay) của đối tượng so với một hệ tọa độ nào đó Ưu điểm cơ bản của HTDĐQT là xác định đồng thời các tham số chuyển động của tâm khối (véc tơ gia tốc, vận tốc) của đối tượng, cũng như chuyển động quay xung quanh tâm khối (véc tơ vận tốc góc, các góc) Các tham số trên được xác định hoàn toàn độc lập từ các cảm biến quán tính (con quay gia tốc kế…) lắp trên khoang về mặt nguyên tắc không cần thông tin nào từ bên ngoài do vậy đảm bảo tính độc lập cao HTDĐQT trong hệ thống điều khiển thiết bị bay giải quyết 2 nhiệm vụ: định vị góc và dẫn đường điều khiển quỹ đạo

Hệ thống dẫn đường quán tính là hệ thống dẫn đường độc lập dựa trên nguyên tắc tính toán quãng đường bằng phương pháp tích phân hai lần gia tốc được đo trong hệ tọa độ xác định nhờ sự trợ giúp của các gia tốc kế

Ưu điểm của hệ thống dẫn đường quán tính:

cảm biến các thông dẫn đường quán tính - các con quay, các gia tốc kế Tuy

nhiên các hệ thống dẫn đường quán tính này rất đắt tiền

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, đặc biệt là công

nghệ vật liệu mới và công nghệ vi chế tạo đã tạo ra các cảm biến vi cơ có kích

thước rất nhỏ (cỡ centimet), hoạt động hiệu quả, tiêu thụ ít năng lượng và đặc

biệt là giá thành hạ, điều này mở ra một khả năng rộng lớn cho việc ứng dụng

các cảm biến vi cơ trong nhiều lĩnh vực đời sống

Một khối vi cơ IMU được cấu tạo từ các cảm biến vi cơ, thường là 3

cảm biến gia tốc và 3 con quay, hoặc cũng có thể là 1 cảm biến gia tốc 3 chiều

kết hợp với 3 con quay Các cảm biến vi cơ kết cấu hỗ trợ với nhau theo cấu

trúc gắn liền, có thể xác định được 3 thành phần chuyển động quay và tịnh

tiến của vật thể

1.1.4.2 Hệ thống dẫn đường quán tính có hiệu chỉnh bằng tín hiệu định

vị vệ tinh toàn cầu (GPS)

Ngày nay, một trong các hướng cơ bản để hoàn thiện hệ thống dẫn

đường quán là tích hợp các hệ thống dẫn đường khác nhau để tăng độ chính

xác, độ tin cậy và tính chống nhiễm Các hệ thống dẫn đường sau có thể được sử dụng kết hợp với hệ thống

dẫn đường quán tính để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống dẫn

đường:

+ Cảm biến đo tốc độ hiệu ứng Đôple

+ Hệ thống vô tuyến dẫn đường tầm gần

+ Hệ thống vô tuyến dẫn đường tầm xa

+ Hệ thống định vị vệ tinh (GPS)

+ Hệ thống tìm phương trên khoang dựa trên các vật chuẩn trên mặt đất

kiểu rađa hoặc kiểu quang học

Mỗi hệ thống sử dụng các nguyên lý khác nhau và thông số dẫn đường

đo được cũng khác nhau

Nhiệm vụ của việc kết hợp các hệ thống dẫn đường khác nhau là:

+ Nâng cao độ chính xác trong việc xác định các thông số dẫn đường bằng các phương pháp của bộ lọc thống kê

+ Tăng độ tin cậy của phép đo nhờ sự trao đổi thông tin và so sánh các kết quả đo của các hệ thống cảm biến khác nhau

+ Mở rộng vùng địa lý trong giới hạn làm việc của các hệ thống dẫn đường

+ Đảm bảo thông tin liên tục chính xác của hệ thống dẫn đường theo thời gian

Các hệ thống đo kết hợp luôn luôn có chất lượng cao hơn so với chất lượng của từng cảm biến trong hệ thống

Ngày nay, công nghệ sử dụng đồng thời các hệ thống dẫn đường quán tính (HTDĐQT) và định vị vệ tinh GPS phát triển rất mạnh

GPS viết tắt của The Global Positioning System, là hệ thống định vị toàn cầu được xây dựng bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ Ban đầu nó chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự Cho đến những năm 1980 GPS được mở rộng cho những mục đích dân sự

Hình 1.1 Quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS

GPS bao gồm 3 thành phần chính: thành phần không gian bao gồm các

vệ tinh, thành phần điều khiển là các trạm mặt đất, và thành phần người sử dụng gồm có người sử dụng và bộ thu tín hiệu GPS

Thành phần không gian bao gồm tổng cộng 27 vệ tinh, 24 vệ tinh hoạt động thường trực và 3 vệ tinh hoạt động dự phòng Các vệ tinh chuyển động trên “quỹ đạo cao” cách mặt đất khoảng 19300 km 24 vệ tinh phát sóng phủ kín toàn bộ bề mặt của trái đất, và tại bất kỳ một điểm nào trên bề mặt trái đất luôn có tối thiểu 4 vệ tinh phát đến Các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời và có trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác đến nano giây Mỗi

vệ tinh đều bay quanh trái đất 2 vòng một ngày, và có tên lửa để điều chỉnh quỹ đạo

Thành phần điều chỉnh có nhiệm vụ dõi theo các vệ tinh và cung cấp thông tin chính xác về quỹ đạo và thời gian Có tất cả 5 trạm điều khiển trên toàn thế giới Bốn trạm làm trạm giám sát tự động và một trạm còn lại làm trạm chủ Bốn trạm nhận tự động sẽ đều đặn nhận dữ liệu từ các vệ tinh sau

đó gửi thông tin này đến trạm chủ Trạm chủ sau đó hiệu chỉnh các thông tin

vệ tinh rồi cùng với hai hệ thống dàn ăngten gửi trả lại thông tin cho các vệ tinh

Đối với hệ thống định vị vệ tinh có những ưu điểm, khuyết điểm sau:

Công nghệ GPS có những hạn chế, đặc biệt trong những ứng dụng mà tầm nhìn đến vệ tinh GPS bị hạn chế

Dưới đây là bảng so sánh các ưu, nhược điểm của HTDĐQT và GPS:

Hệ thống Ưu điểm Nhược điểm

HTDĐQT 1 Độc lập hoàn toàn

2 Tần số đưa ra thông tin dẫn đường cao (20 Hz đến 200 Hz)

3 Các sai số có đặc tính dao động thay đổi chậm với chu kỳ T = 84,4 phút và không bị ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài

4 Có khả năng đo các góc định hướng

1 Độ chính xác xác định các thông số dẫn đường không cao (đối với BINS cấp chính xác trung bình

3 5  km trong một giờ làm việc)

2 Các sai số của hệ thống dẫn đường quán tính trong việc xác định tọa độ tích lũy theo thời gian

3 HTD ĐQT - là hệ thống cơ điện phức tạp và đắt tiền GPS 1 Việc xác định tham số

dẫn đường với độ chính xác cao (10-12 m ở chế

độ thường, 10-20 m ở chế

độ vi phân DGPS)

2 Sai số xác định vị trí không phụ thuộc vào thời gian

Hệ thống định vị vệ tinh cho phép xác định tọa độ vị trí và tốc độ chuyển động của đối tượng với độ chính xác cao hơn HTDĐQT Vì lý do đó, trong trường hợp chung vai trò của HTDĐQT trong hệ thống dẫn đường kết hợp HTDĐQT/GPS là xác định các thông số dẫn đường trong các khoảng thời gian giữa các lần đo gần nhau của GPS, giải bài toán định hướng và đưa ra thông tin dẫn đường ở các thời điểm mất tín hiệu GPS Nói một cách khác, yêu cầu với HTDĐQT là độ chính xác xác định các thông số dẫn đường chỉ cần trong thời gian ngắn Do đó, hiện nay việc kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính với độ chính xác thấp và định vị vệ tinh GPS được quan tâm đặc biệt Với công nghệ vi cơ - điện tử xuất hiện các hệ thống dẫn đường quán tính với độ chính xác thấp sử dụng các con quay và gia tốc kế vi cơ

Tuy nhiên việc ứng dụng hiệu chỉnh bằng tín hiệu vệ tinh GPS cho phép sử dụng các khối quán tính có độ chính xác không cao kiểu vi cơ để tạo

ra HTDĐQT gọn nhẹ, giá thành hạ Do việc sử dụng con quay vi cơ không cho phép xác định chính xác tốc độ quay của trái đất ( 0

15 /

u h) Bởi vậy thường phải dùng la bàn từ để xác định phương vị ban đầu

Trong chế độ làm việc của GPS, GPS là nguồn thông tin dẫn đường chính Khi đó các chỉ số đo của hệ thống quán tính thường xuyên được so sánh với các thông số này của GPS và tiến hành chính xác hóa mô hình sai số của HTDĐQT Khi mất tín hiệu vệ tinh, hệ thống chuyển sang chế độ dự báo

và thông tin dẫn đường được nhận từ HTDĐQT Trong trường hợp này, các chỉ số đo của HTDĐQT được hiệu chỉnh phù hợp với dự đoán theo mô hình sai số Khi có lại tín hiệu vệ tinh, thì lại tiếp tục đánh giá các sai số của HTDĐQT Như vậy, các hệ thống HTDĐQT và GPS khi sử dụng kết hợp: chúng bổ sung và hiệu chỉnh thông tin với nhau, nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của tổ hợp dẫn đường

1.1.5 Các hệ tọa độ dùng trong dẫn đường quán tính

1.1.5.1 Hệ tọa độ quán tính

Hệ tọa độ quán tính là một hệ tọa độ tuân theo 3 định luật của Niu-tơn Gốc của hệ tọa độ quán tính và hướng của các trục là tùy ý Để cho thuận lợi,

hệ tọa độ quán tính thường được định nghĩa trùng với tâm của trái đất Hệ tọa

độ này cũng được gọi là hệ tọa độ thứ i để tránh nhầm lẫn với hệ tọa độ lý tưởng Tất cả phép đo quán tính đều có quan hệ đến hệ tọa độ này

Hệ tọa độ quán tính là hệ trong đó định luật II Niu-tơn có dạng:

đi qua điểm xuân phân là giao điểm giữa quỹ đạo quay của trái đất và đường xích đạo của mặt trời và trục y nằm phía bên tay phải của khung tọa độ trực giao

Hình 1.2 Hệ tọa độ quán tính 1.1.5.2 Hệ tọa độ cố định tâm trái đất

Hệ tọa độ cố định tâm trái đất (e-frame) có gốc tọa độ là tâm của trái đất Trục x được định nghĩa có chiều dương quay về phía giao điểm của đường kinh tuyến không và đường xích đạo, trục z là trục quay của trái đất có chiều dương hướng lên bắc cực, trục y là tích có hướng của trục z và trục x sao cho hệ tọa độ cố định tâm trái đất là một hệ thuận Các thông số trong hệ tọa độ này sẽ có ký tự biểu tượng e, ví dụ x e

Hệ tọa độ trái đất (e-frame) có tọa độ gốc tại tâm trọng tâm của trái đất

và các trục cố định với trái đất Trục x có hướng đi qua kinh tuyến của đài thiên văn Greenwich, trục z song song với trục quay của trái đất và trục y nằm hoàn toàn bên phải của khung trực giao

Hình 1.3 Hệ tọa độ trái đất 1.1.5.3 Hệ tọa độ địa tâm, hệ tọa độ địa lý

Hình 1.4 Tọa độ địa tâm, địa lý

Hệ tọa độ địa tâm được sử dụng với khoảng cách dẫn đường lớn (vài trăm đến vài nghìn km) Tọa độ của điểm M trong hệ tọa độ địa tâm M  , ,R

Hình 1.5 Hệ tọa độ định vị

Ưu điểm của hệ tọa độ NED là quay bên phải là chiều dương đối với trục x, và các trục là tương ứng với tọa độ góc nghiêng, và góc trúc ngóc, góc hướng của phương tiện khi mà xe cộ nằm trên mặt phẳng và hướng về hướng bắc

Ưu điểm của hệ tọa độ Đông - Bắc - Lên (ENU) là cao độ sẽ tăng lên khi đi lên

1.1.5.5 Hệ tọa độ gắn liền

Hệ tọa độ gắn liền vật thể lấy vật thể làm gốc hệ tọa độ, từ đó mô tả các chuyển động theo các hướng trước, sau, trái, phải, lên, xuống và các góc quay Ơle

Trong thực tế có 2 cách chọn hệ tọa độ gắn liền với khối đo lường quán tính IMU

Phương án một (Hình 1.6)

Hình 1.6 Hệ tọa độ gắn liền phương án 1 Trục OXb - hướng theo chiều chuyển động

Trục OYb- hướng về phía trái nhìn từ trục

Trục OZb - vuông góc với mặt phẳng OX Yb b và tạo thành hệ tọa độ thuận

Phương án một thường được dùng phổ biến trong tài liệu của Mỹ và phương Tây

Phương án hai (Hình 1.7)

Hình 1.7 Hệ tọa độ gắn liền phương án 2 Trục OYb- hướng theo trục dọc thiết bị bay

Trục OZb - vuông góc với mặt phẳng OX Yb b và tạo thành hệ tọa độ thuận

Phương án hai thường được sử dụng phổ biến trong tài liệu của Nga Khi chuyển đổi giữa hai hệ quy chiếu cần phải chú ý đổi các giá trị của

x, y và z

1.1.5.6 Một số lựa chọn hệ tọa độ đối với đề tài

1 Đối với hệ tọa độ địa lý

Chọn theo hệ WGS-84 theo thông tư số 973/2001/TT/TCDC ngày 20 tháng 06 năm 2001

2 Đối với hệ tọa độ gắn liền

- Chọn theo phương án một là chủ yếu vì khối đo quán tính ISUBP3010

có các trục cảm biến đo theo hệ tọa độ này

- Tuy nhiên, để có thể sử dụng thuật toán ứng dụng Salychev, đề tài có kết hợp sử dụng hệ tọa độ theo phương án 2, vì vậy cần thiết lập một số môđun chuyển đổi giữa hai hệ tọa độ

Công thức chuyển đổi giữa hai phương án như sau:

một thời điểm bất kỳ với máy thu GPS trong tay ta có ngay tọa độ điểm đánh dấu vị trí, thời điểm đang đứng Khi máy thu GPS sẽ di chuyển theo địa vật trên thực địa để thu thập thông tin mô tả tự nhiên một cách khoa học, thuận tiện, chính xác

Do vậy, việc ngiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập bản đồ là nghiên cứu vấn đề đổi mới kỹ thuật đo vẽ bản đồ truyền thống 1.1.6.1 Cấu trúc hệ thống GPS

Theo sự phân bố không gian, người ta chia hệ thống GPS thành ba phần gọi là Đoạn (Segment), đoạn không gian (Space Segment), đoạn điều khiển ( Control Segment), đoạn người sử dụng (user)

a) Đoạn không gian: Bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 0

55 so với mặt phẳng xích đạo trái đất, chu kỳ 718 phút

Quỹ đạo vệ tinh gồm hình tròn, ở độ cao 12600 dặm, mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh, mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm

b) Đoạn điều khiển: Là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất, trong đó một trạm chủ và 4 trạm theo dõi Các trạm này có nhiệm vụ thu số liệu vệ tinh liên tục, tính toán và điều chỉnh các quỹ đạo vệ tinh

c) Đoạn người sử dụng: Bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm

xử lý tính toán dữ liệu Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động

1.1.6.2 Các giá trị đo GPS

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS thu được từ các tín hiệu của vệ tinh truyền tới dùng cho việc tính tọa độ đo, bao gồm trị đo Code (Code measurement) và trị đo pha (phase measurement)

1.1.6.3 Nguyên lý định vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (vị trí tâm pha của ăngten) Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định tọa độ, người ta chia thành hai loại hình định vị cơ bản: định vị tuyệt đối và định vị tương đối

a) Định vị tuyệt đối (point positioning): Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh được xác định và tọa độ của điểm đó được xác định Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết tọa độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu

b) Định vị tương đối (Relative positioning): Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao đó là định vị tương đối Sự khác của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu hai máy thu tín hiệu vệ tinh đồng hồ và kết quả của phương pháp là các thành phần số gia tọa đô X,Y,Z (hay B,L,H) của hai điểm trong hệ tọa độ không gian Độ chính xác định vị tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong lập lưới khống chế trắc địa

1.1.6.4 Các nguồn sai số đo trong GPS

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau

a) Ảnh hưởng của tầng ion: Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50-1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua

nó với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị

có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài

b) Ảnh hưởng của tầng đối lưu: tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi Chiết

hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số

c) Hiện tượng đa tuyến: Đó là hiện tượng khi tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng ăngten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến ăngten máy thu

Hiện nay với công nghệ Everet, máy thu loại được các trị do co ảnh hưởng của Myltipath

d) Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình các vệ tinh: Định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các

vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là chỉ số phân tán độ chính xác POP

1.1.6.5 Những kỹ thuật đo GPS

a) Đo GPS tuyệt đối

- Là kỹ thuật xác định tọa độ điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong

hệ tọa độ toàn cầu WGS - 84 sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí thấp cỡ 10 m, chủ yếu cho việc dẫn đường và các mục đích có yêu cầu độ chính xác không cao Đối với phương pháp này chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh

b) Đo GPS tương đối

- Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu tọa độ không gian của hai điểm đo đồng thời đặt trên hai đầu của khoảng cách cần đo (Baseline) Sử dụng nguyên lý định vị toàn cầu tương đối Do bản chất của phương pháp cần tối thiểu hai máy thu vệ tinh trong một thời điểm đo phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia ra thành các dạng đo

+ Đo GPS tĩnh (Static)

Đây là phương pháp chính xác nhất sử dụng hai hoặc nhiều máy thu đặt

cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên

+ Đo GPS động (Kinematic GPS)

Phương pháp dựa trên nguyên lý định vị tương đối, được tiến hành với một máy đặt cố định ( Base station) và một hoặc nhiều các máy khác di động đến các điểm cần đo với thời gian rất ngắn, độ chính xác cỡ cm

Tùy thuộc vào thời điểm cần xử lý số liệu đo - xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo, người ta chia thành hai dạng

Dạng 1: Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK) là phương pháp cho phép thu được tọa độ đúng tại thực điạ trong hệ tọa độ địa phương bất kì với thời gian đo ngắn( 1 trị đo - 1 giây)

Dạng 2: Đo GPS động xử lý sau: Giống như phương pháp GPS RTK, phương pháp này đo một loạt điểm với thời gian đo ngắn(2 trị đo) Tọa độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng

1.1.7 GPS chính xác như thế nào

- Lý thuyết cố hữu về độ chính xác của GPS không quá 10m Tuy nhiên, để bảo mật lý do an toàn Quốc gia, Bộ Quốc Phòng Mỹ cho chính hệ thống vệ tinh GPS thường giới hạn độ chính xác có thể đạt được bởi người sử dụng Thực tế chỉ rõ hiệu suất sai số của máy sẽ không quá 100 m (khoảng

300 feet) Thực sự thông tin vị trí kinh vĩ độ đã hiển thị trên GPS nhận sẽ sai

số không quá 120 đến 180 feet

1.1.7.1 S/A Dithering

- Độ chính xác được giới hạn bởi tiến trình chính thức được biết như Selectivi Availability (S/A) và gọi chung là nhiễu Điều này được thực hiện