MỤC LỤC A. PHẦN MỞ ĐẦU 1 B. PHẦN NỘI DUNG 5 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 5 I.1. GIỚI THIỆU CHUNG: 5 I.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 6 I.2.1. Phần điều khiển (Control Segment): 6 I.2.2. Phần không gian (Space Segment): 7 I.2.2.1. Chòm vệ tinh GPS: 7 I.2.2.2. Cấu trúc tín hiệu GPS 7 I.2.3. Phần sử dụng (User Segment): 8 I.2.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. 9 I.2.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS. 10 I.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 11 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG HỆ THỐNG GPS 13 II.1 Phương pháp Đo 13 II.1.1 Phương pháp đo tĩnh 13 II.1.2 Phương pháp đo động 14 II.1.3 Phương pháp đo giả động 15 II.2 So sánh các phương pháp đo 16 CHƯƠNG III: SAI SỐ TRONG ĐO ĐẠC GPS VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ DỮ LIỆU VÀ TỈ LỆ BẢN ĐỒ 16 III.1 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS 16 III.1.1 Sai số của đồng hồ 16 III.1.2 Sai số của quỹ đạo vệ tinh 16 III.1.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 17 III.1.4 Sai số do nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh 18 III.1.5. Sai số do người đo 19 III.2 Mối quan hệ giữa độ chính xác bộ dữ liệu GPS và tỉ lệ bản đồ. 19 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH. 20 C. KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng MỤC LỤC A PHẦN MỞ ĐẦU B PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: I.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.2.1 Phần điều khiển (Control Segment): I.2.2 Phần không gian (Space Segment): I.2.2.1 Chòm vệ tinh GPS: I.2.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS I.2.3 Phần sử dụng (User Segment): I.2.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng I.2.3.2 Những phận máy thu GPS 10 I.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 11 CHƢƠNG II: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO BẰNG HỆ THỐNG GPS 13 II.1 Phƣơng pháp Đo 13 II.1.1 Phƣơng pháp đo tĩnh 13 II.1.2 Phƣơng pháp đo động 14 II.1.3 Phƣơng pháp đo giả động 15 II.2 So sánh phƣơng pháp đo 16 CHƢƠNG III: SAI SỐ TRONG ĐO ĐẠC GPS VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ DỮ LIỆU VÀ TỈ LỆ BẢN ĐỒ 16 III.1 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS 16 III.1.1 Sai số đồng hồ 16 III.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh 16 [1] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng III.1.3 Sai số tầng điện ly tầng đối lƣu 17 III.1.4 Sai số nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh 18 III.1.5 Sai số ngƣời đo 19 III.2 Mối quan hệ độ xác liệu GPS tỉ lệ đồ 19 CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH 20 C KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 [2] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng A PHẦN MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đƣợc đƣa vào sản xuất Việt Nam từ năm 1991 Trên sở sử dụng máy thu GPS hãng TRIMBLE loại tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ thuộc Cục Đo đạc đồ Nhà nƣớc lúc gấp rút thử nghiệm để đƣa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng lƣới toạ độ nhà nƣớc khu vực khó khăn đất nƣớc, mà công nghệ truyền thống (phƣơng pháp tam giác, đƣờng chuyền) khả thực hiện, phí lớn thời gian dài thực đƣợc Trong năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ Cục Đo đạc đồ Nhà nƣớc giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng thành công mạng lƣới toạ độ nhà nƣớc hạng II khu vực Minh Hải, Sông Bé Tây Nguyên, đồng thời xây dựng thành công mạng lƣới trắc địa biển nối đảo quần đảo xa ( kể Trƣờng Sa ) với mạng lƣới toạ độ nhà nƣớc đất liền Từ đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS có bƣớc phát triển lớn Từ chỗ có máy thu GPS tần số hãng TRIMBLE, đến Việt Nam có 82 máy thu GPS loại hãng khác nhau, từ máy thu đặt máy bay, máy thu tần số, máy đo động đến máy có độ xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng mạng lƣới toạ độ nhà nƣớc, độ xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng dẫn đƣờng xác định toạ độ tâm ảnh bay chụp ảnh máy bay; xây dựng mạng lƣới toạ độ, độ cao địa cấp 1; dẫn đƣờng xác định toạ độ đo vẽ đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao mốc quốc giới; xây dựng mạng lƣới công trình v.v Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai trị đo GPS đa dạng, chủ yếu phần mềm kèm theo máy thu, nhƣ TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v phần mềm bình sai lƣới GPS Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng [3] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Hình 1: Khái quát chung hệ thống định vị toàn cầu GPS [4] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng B PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ thống GPS hệ thống định vị vệ tinh sau hệ thống DOPPLER GPS từ viết tắt GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống bắt đầu đƣợc nghiên cứu từ năm 70 quân đội Mỹ chủ trì Trong năm đầu thập kỷ 80 quân đội Mỹ thức cho phép dùng dân Từ nhà khoa học nhiều nƣớc phát triển lao vào chạy đua để đạt đƣợc thành cao lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu cho kết hai hƣớng chủ đạo chế tạo máy thu tín hiệu thiết lập phần mềm để chế biến tín hiệu cho mục đích khác Hình 2: Định nghĩa GPS Cho tới năm 1988, máy thu GPS 10 hãng giới sản xuất đạt đƣợc trình độ cạnh tranh thị trƣờng Vì lý trên, giá máy giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mƣời hãng giới sản xuất máy thu GPS bao gồm hãng nhƣ: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dƣ luận thị trƣờng máy thu hãng TRIMBLE NAVIGATION đƣợc đánh giá cao Về phƣơng diện phần mềm hệ thống GPS, thấy tính đa dạng Trị đo thu đƣợc có loại, tín hiệu vệ tinh phát Chế biến tín hiệu phƣơng pháp khác nhau, thuật toán khác có đƣợc tham số hình học vật lý khác trái đất Chúng ta nói khả [5] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng phần mềm vô tận Với tín hiệu thu đƣợc tính đƣợc tọa độ không gian tuyệt đối (với độ xác 10 m tới m sử dụng lịch vệ tinh xác), số gia tọa độ không gian (độ xác từ cm tới cm), số gia tọa độ địa lý (độ xác từ 0.7 đến cm), số gia độ cao (độ xác từ 0.4 cm đến cm), số gia trọng lực (độ xác 0.2 mgl) Ngoài có tham số khác đƣợc nghiên cứu I.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Toàn phần cứng hệ thống GPS có tên đầy đủ NAVSTAR GPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING Phần cứng gồm phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) phần sử dụng (User Segment) Hình 3: Sơ đồ hoạt động hệ thống định vị toàn cầu GPS I.2.1 Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm trạm mặt đất có trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein Hawaii; trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lƣới trắc địa đặt trạm đƣợc xác định phƣơng pháp giao thoa đƣờng đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ vệ tinh theo số liệu trạm theo dõi thu đƣợc từ vệ tinh Sau tính toán số liệu đƣợc gửi từ trạm trung tâm tới trạm hiệu chỉnh số liệu từ gửi tiếp tới vệ tinh [6] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Nhƣ vòng vệ tinh có số liệu đƣợc hiệu chỉnh để phát cho máy thu Hình 4: Vị trí đặt trạm điều khiển giới I.2.2 Phần không gian (Space Segment): I.2.2.1 Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay quỹ đạo có độ cao đồng 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo góc 55o Việc bố trí nhằm mục đích để thời điểm vị trí trái đất quan sát đƣợc vệ tinh Mỗi vệ tinh phát tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz L2=1227.60 MHz Loại sóng phát sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm số Mã đƣợc gọi tên mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng mang mã C/A (Clear/Acquisition) sóng L1 Mã C/A đƣợc phát với tần số 10.23 MHz 1.023 MHz Ngoài mã vệ tinh phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa thông tin lịch vệ tinh Các vệ tinh đƣợc trang bị đồng hồ nguyên tử với độ xác cao Các vệ tinh NAVSTAR có trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái vệ tinh đƣợc định trạm điều khiển mặt đất Chúng ta sử dụng tín hiệu vệ tinh hai trạng thái "hoạt động khỏe" "hoạt động không khỏe" I.2.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh truyền hai tần số dùng cho công việc định vị tần số 1575,42 MHz tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang gọi L1 L2, mạch lạc đƣợc điều chế tín hiệu khác [7] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ đƣợc biết dƣới tên mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm chuỗi số cộng trừ một, đƣợc phát tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi đƣợc lặp lại sau mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, đƣợc biết dƣới tên mã P (Precise - code), bao gồm chuỗi số cộng trừ khác, đƣợc phát tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày đƣợc cắt làm 38 đoạn ngày Trong 38 đoạn có đoạn không dùng đến, đoạn dùng cho trạm mặt đất , theo dõi tàu thuyền sử dụng, gọi trạm giả vệ tinh (Pseudolite), lại 32 đoạn ngày dành cho vệ tinh khác Mã Y (Y-code) mã PRN tƣơng tự nhƣ mã P, dùng thay cho mã P Tuy nhiên phƣơng trình tạo mã P đƣợc công bố rộng rãi không giữ bí mật, phƣơng trình tạo mã Y giữ bí mật Vì vậy, mã Y đƣợc sử dụng ngƣời sử dụng GPS giấy phép (nói chung ngƣời không thuộc quân đội Mỹ đồng minh họ) không thu đƣợc mã P (hoặc mã Y) Sóng mang L1 đƣợc điều chế mã ( Mã-C/A Mã`-P mã Y), sóng mang L2 bao gồm Mã-P mã Y Các mã đƣợc điều chế sóng mang cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị số -1 phase sóng mang đổi 1800, mã số có trị số +1 phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi Cả hai sóng mang mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dƣới dạng dòng liệu đƣợc thiết kế tần số thấp (50Hz) để thông báo tới ngƣời sử dụng tình trạng vị trí vệ tinh Các liệu đƣợc máy thu giải mã dùng vào việc xác định vị trí máy theo thời gian thực I.2.3 Phần sử dụng (User Segment): Hình 5: Phân bố vệ tinh mặt phẳng quỹ đạo [8] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Phần sử dụng bao gồm máy thu tín hiệu từ vệ tinh đất liền, máy bay tàu thủy Các máy thu phân làm loại: máy thu tần số máy thu tần số Máy thu tần số nhận đƣợc mã phát với sóng mang L1 Các máy thu tần số nhận đƣợc sóng mang L1 L2 Các máy thu tần số phát huy tác dụng đo tọa độ tuyệt độ xác 10 m tọa độ tƣơng độ xác từ đến cm khoảng cách nhỏ 50 km Với khoảng cách lớn 50 km độ xác giảm đáng kể (độ xác cỡ dm) Để đo đƣợc khoảng cách dài đến vài nghìn km phải sử dụng máy tần số để khử ảnh hƣởng tầng ion khí trái đất Toàn phần cứng GPS hoạt động hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thƣớc elipsoid a=6378137.0 m =1:29825722 I.2.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng Phần sử dụng GPS đƣợc coi gồm phận chính: * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), ăngten thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm yếu phận tính chắn, xách tay, tin cậy làm việc trời dễ thao tác Phần mền bao gồm chƣơng trình tính dùng để xử lý liệu cụ Thể, chuyển đổi thông báo GPS thành thông tin định vị dẫn đƣờng hữu ích Những chƣơng trình cho phép ngƣời sử dụng tác động cần để lợi dụng đƣợc ƣu điểm nhiều đặc tính định vị GPS Những chƣơng trình sử dụng đƣợc điều kiện ngoại nghiệp đƣợc thiết kế cho cung cấp thông báo hữu ích trạng thái tiến hệ thống tới ngƣời điều hành Ngoài phần mềm bao gồm chƣơng trình phát triển tính độc lập máy thu GPS , đánh giá đƣợc nhân tố nhƣ tính sẵn sàng vệ tinh mức độ tin cậy độ xác Phần triển khai công nghệ hƣớng tới lĩnh vực liên quan đến GPS nhƣ: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích mô hình hoá hiệu ứng ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng phối hợp chúng phần mềm xử lý số liệu, phát triển hệ thống liên kết truyền thông cách tin cậy cho hoạt động định vị GPS cự ly dài ngắn khác theo dõi xu phát triển lĩnh vực giá hiệu suất thiết bị [9] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Hình 6: Phần thiết bị dẫn đường GPS I.2.3.2 Những phận máy thu GPS Các phận máy thu GPS bao gồm: * Ăngten tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu điều khiển thể * Thiết bị ghi chép * Nguồn lƣợng Ăngten tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , không cần phải hƣớng tới nguồn tín hiệu giống nhƣ đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten tƣơng đối chắn đặt ba chân lắp phƣơng tiện giao thông, vi trí thực đƣợc xác định trung tâm Phase ăngten, sau đƣợc truyền lên mốc trắc địa Phần tần số vô tuyến : Bao gồm vi mạch điện tử xử lí tín hiệu kết hợp số hóa giải tích Mỗi kiểu máy thu khác dùng kỹ thuật xử lí tín hiệu khác đôi chút, phƣơng pháp : * Tƣơng quan mã * Phase tần số mã * Cầu phƣơng tín hiệu sóng mang Phần tần số vô tuyến bao gồm kênh sử dụng ba phƣơng pháp nói để truy cập tín hiệu GPS nhận đƣợc, số lƣợng kênh biến đổi khoảng từ đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác Bộ điều khiển: Cho phép ngƣời điều hành can thiệp vào vi xử lí Kíck thƣớc kiểu dáng điều khiển loại máy thu khác khác [10] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Thiết bị ghi : Ngƣời ta dùng máy ghi băng từ đĩa mềm để ghi trị số quan trắc thông tin hữu ích khác đƣợc tách từ tin hiệu thu đƣợc Nguồn lƣợng : Phần lớn máy thu dùng nguồn điện chiều điện áp thấp, có vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều I.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS Hình 7: Nguyên lý hoạt động hệ thống GPS Vị trí điểm mặt đất, tham chiếu so với vị trí vệ tinh trung tâm tín hiệu trung gian mặt đất Nói cách khac: Vị trí bạn đƣợc tính toán dựa khoảng cách từ nơi bạn đứng đến vệ tinh, đến trung tâm mặt đất Khoảng cách đƣợc đo = phƣơng pháp đơn giản, Quãng đƣờng = Vận Tốc x Thời Gian Ở đây, vận tốc vận tốc truyền tín hiệu (sóng), thời gian đo đồng hồ nguyên tử có độ xác cực cao Theo lý thuyết, cần có vệ tinh tính toán đc vị trí (tính tọa độ x,y,z không gian), nhiên có sai số định nên hệ thống cần thêm tham chiếu nữa, tức thêm vệ tinh vệ tinh để tính toán đc xác Dĩ nhiên có nhiều vệ tinh nhận hết xử lý hết tín hiệu Cuối cùng, GPS tính toán vị trí xác nhƣng luôn có sai số Sai số vài mét, vài trăm mét Sai số hiển thị hình thiết bị sai số có dựa phân tích tín hiệu thu nhận đƣơc, thực tế đƣợc xác Bởi vệ tinh, trái đất, di chuyển liêntụcđồngthờitrongthờigianthực Nhƣ biết nguyên lý hoạt động hệ thống DOPPLER, nguyên lý thay đổi tần số tín hiệu nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật đƣợc mô tả công thức: [11] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng C t C t (x s x p ) (y s y p ) (z s z p ) (1) 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 từ vệ tinh tới máy thu t - Số hiệu chỉnh thời gian Tập hợp phƣơng trình đo dạng (1) ta có hệ thống phƣơng trình sai số có ẩn số t, xp yp zp xs ys zs biết đƣợc từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t đƣợc xác định theo đồng hồ vệ tinh máy thu theo mã C/A, c số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật xác định tọa độ với độ xác 10 m Nếu kết đƣợc gửi tới trạm điều khiển trung tâm, có đƣợc tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ xác m Sở dĩ độ xác đƣợc tăng lên đáng kể máy thu thu đƣợc lịch vệ tinh dự báo, trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh xác Qua thấy tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất đƣợc xác định có độ xác phƣơng pháp DOPPLER Sở dĩ nhƣ vệ tinh hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt độ xác 10 m hệ thống GPS dùng để đáp ứng mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho đối tƣợng chuyển động nhƣ tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần cho phƣơng pháp đo tọa độ tƣơng đối GPS Ngƣợc lại với độ xác tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đạt đƣợc thành tựu đáng kể việc xác định tọa độ tƣơng đối Nguyên lý đo tọa độ tƣơng đối xác định pha sóng mang L1 (với máy thu tần số) hay L1 L2 (với máy thu tần số) Chúng ta có công thức: S = N + (2) Trong đó: - Bƣớc sóng ( = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bƣớc sóng; : Pha sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu Từ công thức (2) có: = (f/c).S - N (3) Xét công thức (3) từ phía khác viết: (t) = s(ts ) - p(t) + Nsp (4) [12] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng s(ts ) - Pha sóng thời điểm ts vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; p(t) - Pha sóng thời điểm t máy thu nhận đƣợc tín hiệu; Nsp - Số nguyên lần bƣớc sóng Từ công thức ta suy ra: (t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp (5) Kết hợp thành phần vế phải công thức (5) biểu diễn dƣới dạng: (t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp (6) Trong đó: p(t) - Thành phần ảnh hƣởng hệ thống pha (t) máy thu gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) s(t) - Thành phần ảnh hƣởng hệ thống pha (t) vệ tinh gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) sp(t) - Thành phần ảnh hƣởng hệ thống pha (t) vệ tinh máy thu gây không phụ thuộc thời gian (chủ yếu s(to) - p(to) + Nsp , to thời điểm bắt đầu đo) Công thức (6) công thức để lập phƣơng trình đo kỹ thuật đo tọa độ tƣơng đối GPS Điều quan trọng phải tổ hợp trị đo cho khử đƣợc thành phần hệ thống p(t), s(t) p CHƢƠNG II: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO BẰNG HỆ THỐNG GPS II.1 Phƣơng pháp Đo II.1.1 Phƣơng pháp đo tĩnh - Phƣơng pháp đo tĩnh thƣờng đƣợc sử dụng để xác định hiệu tọa độ điểm hiệu tọa độ vị trí tƣơng hỗ với độ xác cao - Đo tĩnh thƣờng đƣợc sử dụng xây dựng lƣới khống chế trắc địa - Địa hình để thực phƣơng pháp đo tĩnh cần phải có thiết bị thu, thiết bị đƣợc đặt chooxcho biết vị trí trƣớc - Để đo đƣợc độ xác cao thiết bị thu phải có số thu thập tín hiệu tĩnh, ổn định khoảng thời gian định - Để đo đƣợc giá trị có độ xác cao thiết bị thu phải thu nhận đƣợc số lƣợng vệ tinh tối thiểu vệ tinh tốt số lƣợng vệ tinh lớn [13] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng để phòng ngừa trƣờng hợp thiết bị thu bị gián đoạn thời gian quan sát cần phải kéo dài, đủ cho việc phân bố diện tích thay đổi, từ xác định nhiều giá trị đo, cho kết có độ xác cao - Đo tĩnh phƣơng pháp đo cho phép độ xác cao trình ứng dụng tƣơng đối - Nhƣợc điểm: Thời gian đo kéo dài nên chất lƣợng, hiệu công việc không cao II.1.2 Phƣơng pháp đo động - Là phƣơng pháp cho phép xác định vị trí tƣơng đối điểm so với điểm biết vị trí đo, thiết bị cần thu tín hiệu vòng phút - Đối với phƣơng pháp cần phải có thiết bị thu để tiến hành xác định số nguyên đa giá trị tín hiệu vệ tinh cần phải có cạnh đáy đƣợc gối lên điểm, định đo giá trị đo, số nguyên giá trị đƣợc dùng làm sở để tính khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí máy thu cho điểm đo suốt trình đo - Ƣu điểm: + Là thời gian thu tín hiệu điểm đo không kéo dài, đƣợc rút ngắn thời gian + Phƣơng pháp đo động ta sử dụng máy thu đặt cố định cạnh máy biết vào vị trí điểm đầu cạnh đáy, lƣu ý phải đặt điểm có tọa độ, tiến hành thu tín hiệu liên tục suốt trình đo, máy thu đƣợc gọi máy cố định, điểm cuối cạnh đáy, đặt máy thu thứ cho phép thu tín hiệu vệ tinh, đông thời với máy thu cố định trình gọi trình khởi đo, lúc máy thu thứ gọi máy di động + Khi xong điểm thứ nhất, tiếp tục cho máy di chuyển đến điểm đo mới, điểm đo máy thu cần dần lại tối đa phút để thu lại tín hiệu + Điểm đo cuối cùng, vị trí đo để khép kín trình đo gọi điểm cuối đƣờng cạnh đáy - Nhƣợc điểm: [14] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng + Cả máy thu cố định máy thu di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục nhât vệ tinh suốt chu kỳ đo Vì tuyến đo phải đƣợc bố trí khu vực thoáng, hạn chế trình gián đoạn thu nhận tín hiệu vệ tinh, trƣờng hợp cố xảy phải tiến hành đo lại cạnh đáy phải tiến hành đo lại cạnh dự phòng thuộc tuyến đo trình khảo sát - Chiều dài cạnh đáy tối thiểu 2, tối đa km - Giá trị sai số chấp nhận đƣợc cm - Phƣơng pháp đo động cho độ xác tƣơng đối cao tƣơng đồng với phƣơng pháp đo tĩnh II.1.3 Phƣơng pháp đo giả động - Là phƣơng pháp đo xác hang loạt điểm biết khoảng thời gian đo nhanh, nhiên kết đo xác không cao so với phƣơng pháp đo động - Đối với phƣơng pháp đo giả động không cần thực bƣớc khởi động đo, có nghĩa không cần khởi động cạnh đáy biết trƣớc, phƣơng pháp máy cố định cần thu tín hiệu vệ tinh liên tục suốt trình đo, cân máy di động đƣợc di chuyển đến điểm đo để thu tín hiệu - Đối với phƣơng pháp đo giả động, sau đo hết lƣợt thứ nhất, máy di động trở lại điểm xuất phát tiến hành đo lặp lại tất điểm theo trình tự điểm đo lần đo trƣớc nhƣng phải đảm bảo khoảng cách thời gian điểm đo không đƣợc tiếng - Vì khoảng thời gian tiếng chu kỳ quay vệ tinh thay đổi nhƣng đủ để đổi giá trị, lần đo liên tiếp cách kéo dài 5-10’, cách không tiếng - Đối với phƣơng pháp này, phải thu vệ tinh chung lần đo - Đối với phƣơng pháp này, máy thu di động không cần thu tín hiệu vệ tinh trình đo, mà chủ yếu cần thu 5-10’ điểm đo, có nghĩa không thiết phải bật máy liên tục thời gian di chuyển từ điểm [15] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng đến điểm khác, vậy, cho phép áp dụng phƣơng pháp khu vực bị che khuất II.2 So sánh phƣơng pháp đo PP ĐO TĨNH PP ĐO ĐỘNG PP ĐO GIẢ ĐỘNG Sử dụng để xác định hiệu tọa độ điểm hiệu tọa độ vị trí tƣơng hỗ với độ xác cao Sử dụng để xác định vị Sử dụng Phƣơng pháp để trí tƣơng đối số xác định hang loạt điểm điểm biết vị trí đo so với điểm biết khoảng thời gian đo Cần có thiết bị thu nhanh Thời gian thu tín hiệu Cần thiết bị thu Đo theo phƣơng pháp không dài không cần khởi động Sử dụng tối thiểu vệ Khi đo tín hiệu phụ thuộc cạnh đáy tinh vào cạnh đáy Sử dụng vệ tinh cho lần đo Thời gian 5-10’ CHƢƠNG III: SAI SỐ TRONG ĐO ĐẠC GPS VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ DỮ LIỆU VÀ TỈ LỆ BẢN ĐỒ III.1 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS III.1.1 Sai số đồng hồ Đây sai số đồng hồ vệ tinh ( đồng hồ nguyên tử), đồng hồ máy thu ( đồng hồ thạch anh) không đồng chúng Để giảm ảnh hƣởng sai số đồng hồ vệ tinh máy thu, ngƣời ta sử dụng hiệu trị đo vệ tinh nhƣ trạm quan sát III.1.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh Chuyển động vệ tinh quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt theo định luật Kepler có nhiều tác động nhiễu nhƣ tính không đồng trọng trƣờng trái đất, ảnh hƣởng sức hút mặt trăng, mặt trời thiên thể khác, sức cản khí quyển, áp lực xạ mặt trời…Vị trí tức thời vệ tinh [16] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng đƣợc xác định theo mô hình chuyển động đƣợc xây dựng sở số liệu quan sát đƣợc từ trạm đo có độ xác cao mặt đất thuộc phần điều khiển hệ thống GPS đƣơng nhiên có chứa sai số III.1.3 Sai số tầng điện ly tầng đối lƣu Tín hiệu vệ tinh đƣợc phát từ vệ tinh độ cao 20200km xuống tới máy thu mặt đất, tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly tầng đối lƣu, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch bình phƣơng với tần số tín hiệu tạo sai số Sai số đƣợc loại trừ đáng kể cách sử dụng hai tần số khác Chính để có đƣợc độ xác cao ngƣời ta sử dụng máy thu GPS có hai tần số Hình Sai số tầng điện ly Ảnh hƣởng tầng đối lƣu đƣợc mô hình hóa theo yếu tố khí tƣợng nhiệt độ, áp suất, độ ẩm Để giảm ảnh hƣởng tầng điện ly tầng đối lƣu, ngƣời ta quy định quan sát vệ tinh độ cao từ 15 trở lên so với mặt phẳng chân trời [17] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng A M Hình Sai số tầng ion tầng đối lưu III.1.4 Sai số nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh Ăngten máy thu không thu tín hiệu thẳng từ vệ tinh tới mà nhận tín hiệu phản xạ từ mặt đất với môi trƣờng xung quanh Sai số tƣợng gây đƣợc gọi sai số nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số cách hoàn thiện cấu tạo máy thu ăngten Tổng hợp ảnh nguồn sai số chủ yếu nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát có sai số 13m với xác xuất khoảng 95% Do vị trí điểm quan sát đƣợc phép xác định phép giao hội khoảng cách từ vệ tinh nên độ xác chúng phụ thuộc vào góc giao hội, tức phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát, ta phải đếm sai số khoảng cách giao hội nhân với hệ số lớn Hệ số đặc trƣng cho đồ hình giao hội tức đồ hình phân bố vệ tinh với điểm quan sát đƣợc gọi hệ số phân tán độ xác DOP Nhƣ vậy, DOP nhỏ vị trí điểm quan sát đƣợc xác định xác [18] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng III.1.5 Sai số ngƣời đo Việc định vị chủ yếu đƣợc thực máy thu nhƣng có số thao tác ngƣời thực Do gây sai số nhƣ : sai số định tâm, đo chiều cao anten chƣa xác… Độ cao anten máy thu đại lƣợng tham gia vào thành phần vetor cạnh (Base line) định vị tƣơng đối Cho nên đo cao anten cần thận trọng đọc số cách xác thƣớc đo Có thể đọc số thang “met” thang đơn vị “inch” Khi máy thu tín hiệu, không nên đứng vây xung quanh máy che ô cho máy III.2 Mối quan hệ độ xác liệu GPS tỉ lệ đồ Bản đồ thu nhỏ hay phóng to giới thực mặt phẳng, thông qua phép quy chiếu, sử dụng ký hiệu hình họa để miêu tả Tỷlệbảnđồ=Kíchthƣớcmôphỏng/kíchthƣớcthựctế Độ phân giải sở liệu cho đồ tỷ lệ 1/ triệu Với máy thu GPS, sai số DCW 1/triệu khoảng 1000 mét, tức khoảng mm bảnđồ Về ảnh số theo lý thuyết tập hợp pixcel (điểm ảnh) độ phân giải rõ đồ phóng đại kích thƣớc chúng biểu diễn, phóng to ảnh thao tác phóng điểm ảnh, vƣợt qua ngƣỡng cho phép thấy tƣợng đƣờng cong đƣợc gép điểm đoạn chí phóng to hết cỡ thấy mảng mầu đƣợc tập hợpbởicácđiểmảnh “Độ xác” hay “độ phân giải” Khi lập đồ, ngƣời ta có tay yêu cầu tỷ lệ đồ, từ ngƣời ta định cự li điểm cần xác định toạ độ Toạ độ điểm đƣợc xử lý công thức qui chiếu để trở thành điểm đồ Giả sử cần vẽ ao, chọn hệ trục toạ độ đó, chu vi ao bƣớc chân lại đánh dấu điểm, ghi nhận toạ độ điểm Bản đồ lập hình đa giác, có chiều dài cạnh xấp xỉ bƣớc chân (độ phân giải bƣớc chân) [19] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Tỷ lệ đồ Ví dụ nhƣ với tỷ lệ 1/triệu khoảng cách điểm đo thực địa lớn 100 mét 100 m ngƣời ta phải vẽ chấm đồ cách 0.1 mm điều không cần thiết Đó sở dẫn tới suy đoán sai số km cho đồ 1/ triệu Ngoài ra, thể mặt cong (bề mặt đất) lên mặt phẳng (tờ giấy, hình), ngƣời ta phải chấp nhận saisốdo phép chiếu mang lại Không có phép chiếu mà sai số, cạnh, góc hay hai Tổng hợp độ phân giải (ví dụ: bƣớc chân) sai số (do phép chiếu), độ xác đồ khái niệm có thật phụ thuộcvàotỷlệcủabảnđồđó CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH Độ xác cao trị số đo Phase sóng mang GPS với thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác công tác trắc địa đồ Chúng ta chia ứng dụng làm loại: - Đo đạc địa - Lập lƣới khống chế trắc địa - Theo dõi độ biến dạng cục - Theo dõi độ biến dạng toàn Đo đạc địa đòi hỏi độ xác vị trí tƣơng đối khoảng 10 -4 Ngƣời ta đạt đƣợc độ xác cách dễ dàng cách quan trắc GPS Lƣới khống chế trắc địa lƣới trắc địa có độ xác cao Độ xác yêu cầu vị trí tƣơng đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với cự ly 20 - 100 km Độ xác đạt đƣợc cách xử lý sau trị đo phase sóng mang GPS phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp (ví dụ lƣới đo vẽ đồ) đƣợc thành lập phƣơng pháp GPS Việc theo dõi độ biến dạng cục (lún khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ xác mm đến cm cự ly tới vài km Đối với ứng dụng này, độ xác đạt đƣợc nói bị hạn chế thiếu chắn biến đổi vi mạch ăng ten GPS sai lệch tín hiệu môi trƣờng phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn nữa, khó khăn bị tăng lên khả nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn tƣợng bóng tối tín hiệu môi trƣờng công nghiệp tiêu biểu [20] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Việc theo dõi độ biến dạng toàn (hoạt động kiến tạo địa tầng) đòi hỏi độ xác khoảng 10-7 - 10-8 cự ly liên lục địa Sự khác việc theo dõi biến dạng toàn so với ứng dụng nói chỗ trƣờng hợp cần phải có mô hình phức tạp quỹ đạo vệ tinh GPS, trị thời trễ truyền tín hiệu qua tầng khí độ lệch khác [21] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng C KẾT LUẬN Từ nhũng nghiên cứu, khảo sát lý thuyết ứng dụng thực tiễn công nghệ GPS quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện, xây dựng đồ địa hình đáy biển, đồ điều khiển giao thông… nhiều lĩnh vực khác sống, rút số kết luận sau: Công nghệ GPS ứng dụng mạng lƣới khống chế trắc địa mặt có độ xác cao Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng công nghệ công tác quan trắc chuyển dịch ngang công trình thủy điện, xây dựng mô hình đáy biển cần thiết, giúp đạt đƣợc hiệu cao kinh tế kỹ thuật Trên sở phân tích đặc điểm thành lập lƣới quan trắc biến dạng công trình, đề xuất chứng minh tính ƣu việt mạng lƣới GPS cấp quan trắc chuyển dịch ngang công trình Đề biện pháp bảo đảm độ xác việc định vị trình thi công lƣới Việc ứng dụng công nghệ GPS động vào lĩnh vực trắc địa đem lại hiệu lớn việc thành lập đồ địa hình Với đặc tính công nghệ ƣu việt mình, công nghệ GPS khắc phục đƣợc khó khăn thƣờng gặp thành lập đồ địa hình phƣơng pháp truyền thống, rút ngắn thời gian, khối lƣợng công việc cho độ xác cao thành lập đồ địa hình đặc biệt khu vực đồi núi [22] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO o Trần Bạch Giang, báo cáo kết đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS đo độ cao”, Hà Nội, 2000 o Đồ án tốt nghiệp: “ Đánh giá độ xác đo GPS động (PPK) công tác thành lập đồ địa hình” o Ứng dụng công nghệ trăc địa công tình-NXB Giao thông vận tải o Giáo trình ứng dụng công nghệ viễn thám GEOVIET o Trang Web tham khảo: - Dinhviasia.com - Google.com - Hypack.com [23] [...]... và chứng minh tính ƣu vi t của mạng lƣới GPS một cấp quan trắc chuyển dịch ngang công trình Đề ra các biện pháp bảo đảm độ chính xác của vi c định vị trong quá trình thi công lƣới 3 Vi c ứng dụng công nghệ GPS động vào lĩnh vực trắc địa đã đem lại hiệu quả rất lớn trong vi c thành lập bản đồ địa hình Với những đặc tính công nghệ ƣu vi t của mình, công nghệ GPS đã khắc phục đƣợc những khó khăn thƣờng... trắc GPS Lƣới khống chế trắc địa là những lƣới trắc địa có độ chính xác cao Độ chính xác yêu cầu về vị trí tƣơng đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km Độ chính xác này có thể đạt đƣợc bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lƣới đo vẽ bản đồ) có thể cũng đƣợc thành lập bằng phƣơng pháp GPS Vi c theo... thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trƣờng phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tƣợng bóng tối của tín hiệu trong môi trƣờng công nghiệp tiêu biểu [20] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng Vi c theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến... bản giữa vi c theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trƣờng 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 qua tầng khí quyển và các độ lệch khác [21] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng C KẾT LUẬN Từ nhũng nghiên cứu, khảo sát lý thuyết và ứng dụng thực tiễn của công nghệ GPS trong... tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt đối 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 tƣợng chuyển động nhƣ tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần đúng cho phƣơng pháp đo tọa độ tƣơng đối GPS Ngƣợc lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt đƣợc thành tựu đáng kể trong vi c xác định tọa... CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH 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 lƣới khống chế trắc địa - Theo dõi độ biến dạng cục bộ - Theo dõi độ biến dạng... ngắn thời gian, khối lƣợng công vi c và cho độ chính xác cao khi thành lập bản đồ địa hình đặc biệt ở khu vực đồi núi [22] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO o Trần Bạch Giang, báo cáo kết quả đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong đo độ cao”, Hà Nội, 2000 o Đồ án tốt nghiệp: “ Đánh giá độ chính xác đo GPS động (PPK) trong công tác thành... chính xác đo GPS động (PPK) trong công tác thành lập bản đồ địa hình” o Ứng dụng công nghệ mới trong trăc địa công tình-NXB Giao thông vận tải o Giáo trình ứng dụng công nghệ vi n thám của GEOVIET o Trang Web tham khảo: - Dinhviasia.com - Google.com - Hypack.com [23] ... đạo không tuân thủ nghiêm ngặt theo định luật Kepler do đó có nhiều tác động nhiễu nhƣ tính không đồng nhất của trọng trƣờng trái đất, ảnh hƣởng của sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời…Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể [16] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng đƣợc xác định theo mô hình chuyển động đƣợc xây... xác cao ngƣời ta sử dụng máy thu GPS có hai tần số Hình 8 Sai số do tầng điện ly Ảnh hƣởng của tầng đối lƣu có thể đƣợc mô hình hóa theo các yếu tố khí tƣợng là nhiệt độ, áp suất, độ ẩm Để giảm ảnh hƣởng của tầng điện ly và tầng đối lƣu, ngƣời ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15 0 trở lên so với mặt phẳng chân trời [17] Học phần: Hệ thống định vị toàn cầu GPS SVTH: Trần Văn Hùng A M Hình