QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA

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)

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 20II.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 Việt Nam từnăm 1991 Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệpKHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vàosản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khănnhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không cókhả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được Trong nhữngnăm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSXTrắc 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 và quầnđảo 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 loạicủa các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độchính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPShiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao,khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằngmáy bay; xây dựng 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 độ cao các mốcquốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đoGPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS,TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãngTRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địabản đồ xây dựng

Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôibiên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm 3 chương sau 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 để thành lập cácmạng 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 viếttắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 doquân đội Mỹ chủ trì Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùngtrong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt đượcnhững thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựunày cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm đểchế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnhtranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãngtrên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ),ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trườnghiện nay máy thu của hãng TRIMBLE 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 đothu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra Chế biến các tín hiệu này bằng các phương phápkhác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất.Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính đượctọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác),

số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl) Ngoài

ra còn 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 NAVSTARviết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING

Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (SpaceSegment) 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): DiegoGarcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phươngpháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinhtheo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâmtới 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 cómột số liệu đã được hiệu 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 phốiđều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o Việc bố trí này nhằm mục đích để tạimỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz Loạisóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1 Mã này được 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 đượcphát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hzchứa các thông tin về lịch vệ tinh 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 động không khoẻ (Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể

sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động 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 số1227,60 NHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khácnhau

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 số fo/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 lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7ngày Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi cáctàu thuyền sử dụng, 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 khi phương trình tạo ra mã Y thìgiữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nóichung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mãY)

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóngmang 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 thìphase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên 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 dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh.Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gianthực

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 tàu thủy Cácmáy 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 2 sóng mang L1 và L2 Các máy thu 1tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chínhxác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽgiảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm) Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng

ta phải sử dụng 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 và

* Phần triển khai công nghệ

Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (RadioFriquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm chính yếu của

bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác

Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi nhữngthông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích Những chương trình này chophép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vịGPS Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho

có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành.Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , cóthể đánh giá được các nhân 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 tiến thiết kế máythu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp củachúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy chocác hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vựcgiá 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 tươngđối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xácđịnh là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền 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 đôi chút, 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 máythu 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 sựthay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lýhoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựakhoảng 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 theo đồng hồ vệ tinh và máythu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa

độ với độ chính xác 10 m Nếu kết quả trên được gửi tới 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 thuđược lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác Qua đây chúng tathấy tọa độ tuyệt 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 tuyệt đối với độchính 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 thành tựu đáng kểtrong việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1(với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.

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;

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPSI.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động.

Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động Mặc dùtrị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến nhữngkhác nhau rất lớn

Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm nàycho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị tríđược xác định Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời,(thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần 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 theo thời gianthực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã đượcxác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết 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 gian thực, nhưngnghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủthuật 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 đonày, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việcđồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này 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 vịtương đối

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo đạctrắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ýtưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh Nếu khôngxuất 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 sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máythu lang thang Kiến nghị này có hai ngụ ý:

* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số đo sóng 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 ảnh hàng khôngkhông 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 máy thu đượctriển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh hơn vềmặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn nhữngđiều kiện được xác định bằng phương pháp hình học Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnhhưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc.Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành cácmạng lưới, có như thế mới 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 quanđến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từngtrạm riêng biệt Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo

để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền 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 vị điểm mô tảtrước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential)tương đối ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó, máythu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngtenchuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được) Độ chính xác được coi làphụ 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 tĩnhtại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biếnđộng tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồnghồ

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyểnđộng thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực Kết quả của các nghiên cứu cho tháyrằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùngsai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh 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 và thông báo đãđược mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh

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 vị trí vệ tinh

và độ chính xác đo đạc Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tươngđương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tínhthiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng 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 xác DOP(Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác 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 chính xác của vịtrí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ chính xác của một trị số tọa độriêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ Các trị số DOP thường dùng 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 tổng bìnhphương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một cănbậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng taquan 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 vệ tinh GPS Bởi

vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinhchuyển 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, trịDOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xácđịnh vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất)

I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPSI.4.1 Sai số do đồng hồ.

Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sailệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để sử lý Để làm giảmảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinhcũng như giữa các trạm quan sát

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 nhiềutác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặttrăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời, Vị trí tứcthời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệuquan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đươngnhiên có chứa sai số Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chínhcác thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêutrên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cungcấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng.Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơnriêng 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 tín hiệu vô tuyếnphải 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 số của 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 các máy thu GPS 2 tần số Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thìảnh 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 sốcho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6lần so với ban ngày

Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, ápsuất và độ ẩm Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở cách nhau không quá vàichục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát

Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát 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 cả các tín hiệuphản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số donhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiệncấu 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 số phụ khác,khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95% Nếu xét đếnảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là 50 m Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảngcách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát Do vịtrí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nóphụ 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 điểm quan 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 of Precision DOP) Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác

-Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì nó đặc trưng cho

cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t Hệ số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất

Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật toán bình sai xấp

xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ.Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại:

- 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 thể đạt được độchính 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 yêu cầu về vịtrí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km Độ chính xác này có thể đạt đượcbằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạngkhống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS

Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chínhxác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt đượcnói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sựsai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năngnhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng 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 dõi biến dạng toàn bộ so vớinhững ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹđạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng 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 dụng hầu như tăngdần dần thay thế các phương pháp truyền thống Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, mộtmàn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể

sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống Ứngdụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếmhoặc cứu hộ

Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiệnnày được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS Vị trí được xác định bằngcác thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung 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, hệ GPS đặc biệtphù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác

về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét Để đáp ứngcác yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụngcác phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, cácchướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng Cácyêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hốkhoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS

Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều có thể dùng GPS làmcông 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 lý tưởng Yêu cầu

độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫnhướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi) Thủ tục định vị GPS chính xác sử

dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàuthuyền trên sông và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ

có hiệu quả hơn nhờ được nâng 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 thể được đáp ứngnhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiếttrong 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 kỹ thuật dẫnđường bay, xác định tâm chính ảnh

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

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ sốcủa 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 tốthơn 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 vựcứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quyEOTVOS dữ liệu trọng lực

Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biếnkhông 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 sử dụng hệ GPSlàm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệthống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức

sử dụng GPS

Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc ), những lĩnh vựckhông đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng 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 và định hướngbay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa Thôngthường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đãứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệtinh và phép đo độ cao bằng rada Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể đượcdùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậmchí thay thế phép 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 giá một vàitrăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kíchthước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay) Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điềudưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy 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 theo thời gianthực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ Hệ định vị GPSđược coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinhGPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân

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

 Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn trong thu tín hiệu nhưtrước 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 tín hiệu do môitrường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanh antenna;

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

Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến nay như 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 đã được ápdụng như sau:

Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu vào toạ độ tuyệtđối xử lý theo phương pháp PseudoRange Vì vậy, thông thường toạ độ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc

tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác khoảng từ 10 m tới100 m Toạ độ này có vai trò rất quantrọng trong việc tính toán gia số toạ độ X, Y, Z của các base line Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đốicủa một đầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của X, Y, Z có thể tăng thêm được

1 dm Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được các baseline có độ chính 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 có được nếu yêucầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không tiện dùng vì phải chờ đợi trong thời gian khôngngắn

Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được lịch

vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt được tới 1 m Độ chính xácnày đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ

độ theo các base line từ 1 điểm gốc toạ độ tuyệt đối 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 RTCM với các sốhiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cố định toàn cầu Công nghệ này cũng đãđược thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo

Sai số do môi trường truyền sóng: Môi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai số chủ yếu trongquá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu:

Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ khoảng không vũ trụvào tầng đầu tiên của khí quyển Sai số này không gây ảnh hưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cáchngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cách dài Để khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạctrên khoảng cách dài

Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớp khí quyển gần mặtđất 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 hiệu chỉnh Đến nay các phần mềm đã

sử dụng số hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh donhiệt độ, áp suất, độ ẩm

Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do các nguồn phát sóngngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặtquanh antenna Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khảnăng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (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 vàđồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác kết quả đo GPS Tất nhiêncải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làm ngay được, ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử nhưtrên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giá thành máy thu Người ta chỉ có thể cải tiến cácđồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệtinh

Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base line có độchính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990 Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng được độ chính xác từ cỡ1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạt được

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 tậptrung 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 loại trừ sai số,trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệutrị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất Sử dụng hiệu bậc mấy để có mộtlời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian Hãng GPS hàngđầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994,đến 1995 họ đã thay thế bằng 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 gian người ta đãđưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên Trong phần mềm mớiGPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý cácbase line

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

Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương pháp đo tĩnh Như trêngiới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đotương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây Ngoài

ra công nghệ GPS đã được phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác nữa để áp dụng cho nhiêù mục tiêukhác nhau như:

 RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ chính xác tới

1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn;

 RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm động đạt được

độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình;

 MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ chính xác

cỡ 1 m;

 Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm