hệ thống định vị gps GPS

PHẦN I LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ BẰNG VỆ TINH TRONG HÀNG HẢI CHƯƠNG I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VỆ TINH NHÂN TẠO TRÁI ĐẤT 1.1 NHỮNG QUY LUẬT CƠ BẢN VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VỆ TINH NHÂN TẠO 1.1.1 Quỹ đạo chuyển động: Tất lực chòu tác động lực hấp dẫn tương hỗ Chuyển động vệ tinh (trong có mặt trăng) quanh trái đất, hành tinh có trái đất quay quanh mặt trời…xảy tác dụng lực tuân theo đònh luật hấp dẫn vũ trụ Newton phát biểu đònh luật vào năm 1687: ’’Giữa hai vật có khối lượng m1 m2 cách khoảng r, có lực hút tương hỗ tác dụng, độ lớn lực tỉ lệ với tích khối lượng m1 m2, đồng thời tỉ lệ nghòch bình phương khoảng cách chúng’’ F G m1m2 r2 (1) G: số hấp dẫn (G = 6,67.10-8cm g-1s-2) r : khoảng cách hai vật Chuyển động vệ tinh trái đất xảy theo quỹ đạo xác đònh Dạng quỹ đạo phụ thuộc vào vận tốc phóng vệ tinh hướng phóng vệ tinh ban đầu Như vệ tinh hàng hải thiên thể nhân tạo quay quanh trái đất lực hấp dẫn tương hỗ trái đất mà thành phần khác Muốn cho vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn trọng lực phải cân với lực ly tâm Điều kiện dẫn đến đẳng thức : mg = mr0  v2 (2) m: khối lượng vệ tinh g: gia tốc trọng trường điểm cách trái đất khoảng cách r0 r0 = R+H: khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh R bán kính trái đất H khoảng cách từ điểm xét bề mặt trái đất đến vệ tinh v: vận tốc góc vệ tinh tâm trái đất Gia tốc trọng trường điểm cách trái đất khoảng r0 biến đổi theo qui luật bình phương : g = g0 rR (3)  Trong g0 gia tốc trọng trường bề mặt trái đất (H = 0) Như biểu thức (2) biến đổi sau : g = g0 rR 2 = r0  v2 (4) Nếu quỹ đạo đường tròn vận tốc vệ tinh biểu diễn qua vận tốc thẳng : v  Vv r0 (5) Thay (5) vào (4) ta xác đònh vận tốc thẳng vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn : VV = R g0 R H (6) Thừa nhận giá trò R = 6371 Km, g0 = 9,81m/s2 đặt K = H/R biểu thức (6) rút gọn sau: VV = 7,91 1 K (6’) Tốc độ mà vệ tinh chuyển động theo qũi đạo tròn bề mặt trái đất (H = 0, K = 0) gọi tốc độ tròn hay tốc độ vũ trụ cấp (V = VV = 7,91 Km/s) Khi phóng với vận tốc vũ trụ cấp hướng theo phương song song với mặt đất, vệ tinh bay theo quỹ đạo tròn Thời gian vệ tinh bay hết vòng quanh trái đất theo quỹ đạo tròn có bán kính r0 : 2 r0 T1 = V1 (7) Bảng cho biết giá trò vận tốc vũ trụ cấp chu kỳ bay vệ tinh quỹ đạo tròn độ cao khác nhau: H (Km) T1 (phút) V1 (km/s) 84,4 7,91 250 89 7,76 1000 105,7 7,35 35870 24 3,07 Nếu vệ tinh có độ cao tăng lên tốc độ chuyển động vệ tinh giảm xuống chu kỳ bay tăng lên Nếu ta phóng vệ tinh với vận tốc ngang V2 = V1 vệ tinh giải phóng khỏi tác dụng lực hút trái đất không gian bên theo đường Parabola Thật vậy, để vệ tinh thoát khỏi tác dụng trái đất phải thắng công lực hấp dẫn trái đất Nghóa động ban đầu vệ tinh phải công lực hấp dẫn trái đất sinh từ lúc vệ tinh phóng (ro=R+H) đến vệ tinh xa vô (ro=): oo ½.mVv2 =    Theo (6) => mVv2 Vv2 Vv2 Vv = = = =  / F / dr (F lực hấp dẫn) RH 2GmM/(R+H) 2GM/(R+H) 2goR2/(R+H) 2V1 (do go = GM/R2) Tại bề mặt trái đất vận tốc Vv = V2 = 11,2 km/s, vận tốc gọi vận tốc vũ trụ cấp hai vận tốc giải phóng 1.1.2 Quỹ đạo hình ellipse 1.1.2.1 Ba đònh luật KEPLER:  Đònh luật thứ Kepler: Chuyển động lý tưởng vệ tinh tạo trường trọng lực trọng tâm gọi chuyển động Kepler Cần ý đònh luật Kepler có giá trò với trường trọng tâm nào, kể trường trọng lực trường khác Đònh luật Kepler phát biểu sau : “Các chuyển động tương đối so với hệ xích kinh (hệ RA – right ascention) diễn mặt phẳng cố đònh chứa trọng tâm trái đất Quỹ đạo chuyển động hình ellipse nhận trọng tâm trái đất làm tiêu điểm nó” Cận điểm Tânmđiể trámi đất Viễ Viễn điểm + Điểm gần tâm trái đất quỹ đạo gọi cận điểm (Perigee) + Điểm xa tâm trái đất quỹ đạo gọi viễn điểm (Apogee) + Hình dạng kích thước quỹ đạo ellipse số  Đònh luật thứ hai Kepler: “Các vector bán kính qua vệ tinh quét diện tích khoảng thời gian nhau.” Cận điểm Viễn điểm Diện tích hai hình quạt phải Sở dó có tượng tổng lượng vệ tinh cần phải bảo toàn Mỗi vệ tinh động năng: - Thế chòu ảnh hưởng trường trọng lực, có giá trò nhỏ vệ tinh gần vật thể hấp dẫn trái đất (tức cận điểm) có giá trò lớn viễn điểm - Động hàm tốc độ vệ tinh  Vì để tổng động không đổi động (và tốc độ vệ tinh) phải thay đổi độ vệ tinh phải lớn cận điểm nhỏ viễn điểm  Đònh luật thứ ba Kepler: “Tỷ số tích bình phương chu kỳ chuyển động vệ tinh quanh trái đất với tổng khối lượng vệ tinh trái đất lập phương bán trục lớn ellipse quỹ đạo đại lượng không đổi (bằng 2/G) đổi với cặp vật có giá trò nhau.” Công thức : ( M  m) 4 T2 = const (8)  a Trong G T : chu kỳ vệ tinh quỹ đạo a : bán trục lớn ellipse M : khối lượng trái đất m : khối lượng vệ tinh G : số hấp dẫn vũ trụ G = 6,67 10-8 cm3 g-1s-2 Do khối lượng vệ tinh nhỏ nhiều so với khối lượng trái đất nên công thức (8) viết thành : T M 4 (8’)   (m T = a3 GM Thay giá trò G = 6,67 10-8g-1s-2 M = 5,976 1027 g (khối lượng trái đất) Ta tính : T = 1,66.10-4.a3/2 Bán trục lớn a quỹ đạo ellipse xác đònh mối liên hệ độ cao quỹ đạo với tỷ lệ tốc độ vệ tinh theo quỹ đạo ellipse tốc độ tròn : a = Hay r V      V1  H A  H a = R + Với : HA độ cao viển điểm H độ cao cận điểm r bán kính điểm đầu quỹ đạo Vò trí vệ tinh quỹ đạo coi xác đònh người quan sát trái đất tính toán thành phần Keppler : 1) Góc nghiêng i MF q đạo so với MF xích đạo 2) Xích kinh  điểm mọc qũi đạo (tính từ điểm xuân phân ) 3) Khoảng cách góc  từ cận điểm đến điểm mọc qũi đạo 4) Tâm sai quỹ đạo : e= a  b H A  H  a 2a a,b : bán trục ellipse 5) Hệ số quỹ đạo : x b2 a2 6) Thời gian chuyển dòch vệ tinh từ cận điểm đến điểm mọc vệ tinh quỹ đạo Năm thành phần đầu đặc trưng vò trí quỹ đạo vệ tinh hướng chuyển động Thành phần thứ dùng để xác đònh vò trí vệ tinh quỹ đạo Do muốn xác đònh vò trí tàu vệ tinh trước hết ta phải biết toạ độ vệ tinh thời điểm quan sát Việc tính toán tiến hành sở thành phần Keppler nêu Khi nghiên cứu vệ tinh hệ thống hệ thống hàng hải vệ tinh, vấn đề ta cần quan tâm thời gian tồn vệ tinh quỹ đạo Tuổi tụo vệ tinh phụ thuộc vào lực cản khí quyển, khối lượng vệ tinh kích thước vệ tinh( đường kính thiết diện cắt ngang vệ tinh: d ) Bảng cung cấp cho ta số liệu liên quan đến tuổi thọ vệ tinh Độ cao trung bình quỹ đạo H (Km) 500 1000 Chu kỳ T (giờ) 1,58 1,75 G = 100kg d = 0,5m 14,5năm > 100 năm d = 1m năm 62 năm G = 500kg d = 0,5m d = 1m 72 năm 18 năm Vài trăm năm 1.2 PHÂN LOẠI QUỸ ĐẠO VỆ TINH VÀ ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG : Trong lónh vực hàng hải phương pháp ứng dụng vệ tinh phụ thuộc lớn vào quỹ đạo vệ tinh Chính ta cần phân loại vệ tinh, xác đònh vùng nhìn thấy vệ tinh khoảng thời gian quan sát vệ tinh quỹ đạo khác Quỹ đạo cực (i = 900) N Quỹ đạo nghiêng (i = 450) E W Quỹ đạo xích đạo (i = 00) S Quỹ đạo vệ tinh vết di chuyển vệ tinh so với tâm trái đất Mặt phẳng quỹ đạo qua tâm trát đất, vtệc phân loại quỹ đạo vệ ttnh dựa thông số: góc nghiêng I mặt phẳng quỹ đạo mặt phẳng xích đạo độ cao H quỹ đạo bề mặt trái đất Theo dấu hiệu thứ quỹ đạo vệ tinh phân thành: - Quỹ đạo xich đạo I = 00 - Quỹ đạo nghiêng 00 < I < 900 - Quỹ đạo cực I = 900 Theo dấu hiệu thứ quỹ đạo vệ tinh phân thành: - Quỹ đạo thấp H < 5000 Km - Quỹ đạo cao H > 5000 Km Những vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo thấp ( H nhỏ 5000 Km) gọi vệ tinh chuyển dòch nhanh Khi vệ tinh bay theo quỹ đạo có độ cao 35870 Km người ta gọi quỹ đạo quỹ đạo đồng Những vệ tinh phóng lên quỹ đạo đồng góc nghiêng I = 0 – quỹ đạo xích đạo đồng bộ-gọi vệ tinh đòa tónh Chu kỳ quay vệ tinh bầng ngày đêm( 23h56m04s124 giờ) vệ tinh đòa tónh bò treo cố đònh điểm xác đònh bề mặt trái đất Trong lỉnh vực hàng hải vệ tinh đòa tónh vệ tinh chuyển dòch nhanh sử dụng rộng rãi Sau khảo sát đặc tính vệ tinh 1.2.1 Vệ tinh đòa tónh: V H M1  R M2 O Hình mô tả vệ tinh đòa tónh( V) quỹ đạo Việc quan sát vệ tinh tiến hành giới hạn góc tâm chắn bán kính OM1 OM2 ( cung S ) Xét tam giác OM2V ta có:  H sec   (9) R Đưa giá trò H = 35870 Km R = 6371 (km) vào biểu thức ta tính được:  Sec  6,61    162 Như vệ tinh đòa tónh, vùng quan sát giới hạn phạm vi góc tâm   1620 Để thu tín hiệu từ vệ tinh có độ tin cậy cao vệ tinh phải có độ cao không nhỏ hôn 100 đường chân trời Nếu độ cao vệ tinh 100 tín hiệu bò ảnh hưởng nhiễu lớn giới hạn vùng quan sát bò thu hẹp Phân tích hình kết ta thấy vệ tinh đòa tónh bao quát tất kinh tuyến trái đất Muốn sử dụng vệ tinh đòa tónh để xác đònh vò trí tàu tối thiểu phải phóng lên quỹ đạo xích đạo đồng vệ tinh Muốn xác đònh đồng thời quan sát vệ tinh phải phóng lên quỹ đạo xích đạo vệ tinh (hình 3) Khi điểm bề mặt trái đất phạm vi 810S<   810 N có khả xác đònh vò trí tàu hai vệ tinh đòa tónh Riêng khu vực cực   810 khả xác đònh vò trí tàu không quan sát thấy vệ tinh Để cho hệ thống sử dụng toàn cầu ta pủai bổ sung vệ tinh bay quỹ đạo cực Như muốn sử dụng vệ tinh đòa tónh để xác đònh vò trí tàu liên tục theo vệ tinh quan sát đồng thời theo phạm vi toàn cầu phải phóng vệ tinh đòa tónh lên quỹ đạo xích đạo vệ tinh lên quỹ đạo cực V2 Sơ đồ bố trí vệ tinh đòa tónh Một phương án khác để vùng quan sát vệ tinh bao phủ toàn bề mặt trái đất thực sau : thay vệ tinh đòa tónh vể tinh gần đòa tónh (i = 50  70) Vùng quan sát vệ tinh gần đòa tónh dòch chuyển theo theo chu kỳ hướng Bắc - Nam bao phủ vùng cực Bắc - Nam Qua khảo sát đặc tính vệ tinh đòa tónh ta thấy chúng có ưu điểm : - Tọa độ vệ tinh đòa tónh cố đònh 10 Việc tính toán vò trí quan sát đơn giản Nhưng vệ tinh đòa tónh có nhược điểm sau : - Để xác đònh vò trí tàu cần phải xuất vệ tinh vùng nhìn thấy nên giá thành hệ thống tăng lên - Không thể áp dụng phương pháp vận tốc có độ xác cao để xác đònh vò trí tàu đối tượng di chuyển chậm (như tàu thủy) - Do cách xa trái đất 35670 Km nên vệ tinh phải có thiết bò khuyếch đại chuyển tiếp với công suất lớn - Do góc cắt đường vò trí góc nhọn vùng xích đạo nên độ xác vò trí tàu xác đònh vệ tinh thấp vùng xích đạo Qua phân tích ưu, nhược điểm vệ tinh đòa tónh ta thấy vệ tinh đòa tónh không thuận tiện để xác đònh vò trí tàu mà thuận tiện sử dụng mục đích thông tin liên lạc Một vệ tinh nhân tạo cho phép trạm mặt đặt liên lạc với kênh trực tiếp không cần qua trạm thu khuyếch đại trung gian, làm tăng chất lượng kênh đơn giản hóa mạng lưới liên lạc Một vệ tinh đảm bảo hàng chục ngàn kênh liên lạc điện thoại Nhờ vệ tinh đòa tónh liên lạc điểm bò cản trở điều kiện thiên nhiên biển, đại dương, núi - 1.2.2 Vệ tinh chuyển dòch nhanh Những vệ tinh bay quỹ đạo thấp (H < 5000 Km) vệ tinh chuyển dòch nhanh Khi lựa chọn thông số quỹ đạo (độ cao H góc nghiêng i ) ta cần phải ý đến yêu cầu sau : - Ảnh hưởng điều kiện bên làm thay đổi quỹ đạo phải nhỏ thay đổi dự đoán trước thời gian đònh thông qua tham số chuyển động vệ tinh với độ xác cao - Độ cao quỹ đạo vệ tinh phải đảm bảo vùng nhìn thấy vệ tinh có kích thước cần thiết khoảng thời gian vệ tinh nằm vùng quan sát phải lớn - Hướng quỹ đạo phải đảm bảo khoảng thời gian quan sát vệ tinh lớn khu vực có mực độ tàu qua lại lớn Đại Tây Dương, Ấn Độ Dương, Thái Bình Dương, Qua phân tích yêu cầu ta thấy vệ tinh phóng lên quỹ đạo cực (i = 90) quỹ đạo nghiêng (có < < 90) với độ cao H = 1000 Km hoàn toàn thỏa mãn Bay độ cao vệ tinh lực cản khí nhỏ, cho phép dự đoán trước vò trí vệ tinh quỹ đạo với độ xác cao thời gian tồn vệ tinh lớn 1.2.2.1 Vùng nhìn thấy vệ tinh Vệ tinh bay độ cao H – vùng nhìn thấy vệ tinh bề mặt trái đất diện tích quan sát giới hạn vòng tròn nhỏ với đường kính S (hình 2) 11 Bộ T/quan Tự động Bộ thu tín hiệu Thông tin thời gian Đồng hồ Mạch mã Bộ tạo phiên hình 19 Sơ đồ tiến hành tương quan tự động hình 19 Chuỗi mã ngẫu nhiên giả nhận (sau tách khuếch đại) thường không đồng pha với chuỗi phiên tạo máy thu Các chuỗi phát tạo dòch chuyển dòch chuyển theo pha đồng hồ Khi đồng pha, tương quan tự động sinh điện để ngừng việc dòch chuyển (thông qua mạch mã) cung cấp đồng hồ cho máy tính Xác đònh thời điểm đến mã P Phương phap xác đònh thời điểm đến chuỗi tín hiệu vệ tinh mã P tương tự C/A ngoại trừ : + Độ dài mã tuần, tuần mã sử dụng, nhầm lẫn + Độ dài chip 100ns = 1/10 C/A Nhờ thời điểm đến tương quan xác đònh với độ xác cao Phương pháp tương quan tự động tượng tự áp dụng trạm quan sát kết đưa đến trạm điều khiển Ở thực tính toán để xác đònh tsv tsv Ưu điểm việc tiến hành tương quan tự động : Gồm ưu điểm sau : Thông thường tín hiệu vệ tinh yếu nhiễu không nhận Thế hiệu điện cao tương quan tạo nhận rõ ràng mức độ cao nhiều Tần số chip cao tạo hiệu điện đỉnh mạnh tương quan, đảm bảo độ xác cao cho việc xác đònh thời gian đến tín hiệu vệ tinh ns 44 Bởi hệ thống GPS sử dụng máy thu người sử dụng có phiên chuỗi tín hiệu mã hóa, phương pháp tương quan tự động cho phép nhà chức trách giới hạn mức độ áp dụng hệ thống GPD cho đối tượng khác Bởi tín hiệu mã hóa vệ tinh mức độ nhiễu, chúng không gây nhiễu giao thoa Các tần số sử dụng mà không cần cho phép nhà chức trách Chúng làm tăng độ nhiễu , chúng không gây nhiễu giao thoa Các tần số sử dụng mà không cần cho phép nhà chức trách Chúng làm tăng độ nhiễu vô tuyến chung khí Không thể bò gây nhiễu (phá hoại) Sơ đồ khối tổng quát máy thu GPS 2.3.3 Bản tin hàng hải Tần số L1 L2 vệ tinh hàng hải điều biến với tin hàng hải Nó phát liên tục với tốc độ 50bit/giây (bps) Bản tin bao gồm thông tin cần thiết để xác đònh vò trí giống thông báo sức khoẻ người Các liệu bao gồm : lòch vệ tinh, thời gian hệ thống, số hiệu chỉnh đồng hồ, lòch vệ tinh thông báo trạng thái hoạt động hệ thống (hình 20) Bản tin hàng hải bao gồm số cấu kiện 1500 bit Cơ cấu gồm cấu nhỏ cấu nhỏ chứa 300bit Một cấu nhỏ phát giây với tốc độ 50bit/giây Một thông điệp cần 30 giây để truyền 45 KHỐI THÔNG TIN CƠ CẤU TLM HOW Hiệu chỉnh đồng hồ TLM HOM 2.Lòch vệ tinh TLM HOW 3.Lòch vệ tinh DATABLOCK 1CƠ CẤU DATABLOCK II 30 giây 1500 bit TLM HOM Bản tin TLM HOW Lòch DATABLOCK III CƠ CẤU NHỎ – giây – 300 từ bit Hình : 20 Một cấu nhỏ bao gồm 300 từ bit Hai từ thứ cấu nhỏ tứ TLM (TLM : Telemety Message – Bản tin xa) HOW (Hand Over Word) Các từ phát từ vệ tinh Khâu điều khiển phát từ lại cấu nhỏ TLM kiện từ xa chủ yếu sử dụng khâu điều khiển Nó sử dụng để kiểm tra kiện vệ tinh Trong vệ tinh khối chứa thông tin khả lật mômen lăn không ảnh hưởng đến quỹ đạo vệ tinh Do thông tin bò cắt bỏ TLM thường không sử dụng máy thu hàng hải hệ thống đònh vò toàn cầu HOW (the Hand Over Word) từ thứ hai cấu nhỏ cung cấp thông tin cần thiết để chuyển giao tới mã P, sử dụng thông tin số đếm Z HOW Người sử dụng mà P biết xác trạng thái mã P cần thiết để tiếp nhận khoá chặn Tất kiện hàng hải khác tính toán phát từ khâu điều khiển Bản tin hàng hải phân chia thành khối kiện khối với cấu nhỏ chứa tin đặc biệt Mỗi khối chứa đựng số liệu chỉnh mã P để điều hành việc thu nhận - Khối kiện cấu lặp lại sau 30 giây phát từ khâu điều khiển Khối kiện bao gồm thông tin số liệu chỉnh đồng hồ tuổi đồng hồ kiện (Age Of Date Clock AODC) Ngoài cung cấp thông tin độ trễ khí cho người sử dụng máy thu tần số Số liệu chỉnh xác đònh TGD, độ trễ nhóm (Group Delay) Hơn cho biết khác độ trễ 46 L1 L2 khí thông tin độ trễ L1 L2 bên vệ tinh Độ trễ nội đo đònh mức trước phóng vệ tinh Máy thu tần số không chòu tác động độ trễ nhóm Chúng so sánh thời điểm tới hai tín hiệu hiệu chỉnh độ trễ Máy thu tần số sử dụng TGD (số hiệu thời gian nhóm) để đònh giá trò độ trễ đưa vào để tính toán - Khối kiện II chứa cấu nhỏ thứ thứ Nó bao gồm thông tin vò trí vệ tinh xác dự đoán thành phần quỹ đạo tương lai Tuổi lòch số liệu vệ tinh (Age Of Date Ephemerides AODE) nằm khối kiện Điều giúp cho người sử dụng biết thời gian hiệu chỉnh lòch vệ tinh Nó sử dụng để mô hình hóa sai số Ngay xem xét quỹ đạo vệ tinh có dạng hình tròn lòch vệ tinh cẩn thận Do độ lệch dự đoán trường hấp dẫn từ mặt trăng, hành tinh khác mặt trời Khâu điều khiển theo dõi quỹ đạo vệ tinh cẩn thân Do độ lệch không dự đoán (bởi khó dự đoán nên số hiệu chỉnh vệ tinh có ý nghóa vài giờ) - Khối kiện III cấu nhỏ thứ 5, bao gồm “lòch” Lòch cho nhiều quan sát tất vệ tinh hệ thống GPS, số liệu chỉnh đồng hồ độ trễ khí Dữ kiện bò cắt xén dòch tham khối I khối II vệ tinh Do chúng không xác lúc đầu Ngoài lòch cung cấp thông tin nhận dạng tình hình hoạt động vệ tinh Lòch cần thiết để tính toán quan sát vệ tinh lựa chọn nhóm vệ tinh cho đònh vò có độ chiùnh xác cao Lòch cho phép éinh eóan khoảng cách gần ,tăng tốc độ thu nhận mã C/A Tổng số chiều dài lòch vượt qúa khả lưu trữ cấu nhỏ Cứ 30 giây năm cấu nhỏ lại phát phần lòch Toàn lòch bao hàm 25 cấu nhỏ nghóa 25 nhân với giây 150 giây Do theo chu kỳ 30 giây có giây phát lòch Để nhận toàn thông tin phải 750 giây hay 12 ½ phút Sau lòch bắt đầu phát lại tất Các máy thu lưu trữ lòch nhớ chờ chuyển giao lần đònh vò trí Thông thường lòch có gía trò khoảng vài tuần tự lưu trữ máy thu 2.4 VI PHÂN GPS Vò trí dự đoán vệ tinh có sai sót đònh không gian ba chiều ,dẫn tới sai số vò trí người sử dụng 47 Nếu có người sử dụng thứ hai khoảng cách giả sử 100 km so với người thứ (trạm vi phân GPS) chòu sai số gần giống Đó độ cao vệ tinh  20200 km lớn nhiều so với khoảng cách 100 km người sử dụng, đường truyền tín hiệu từ vệ tinh tới người sử dụng sẽgần nên sóng vô tuyến gần chòu khúc xạ tầng Ion Trường hợp kinh, vó độ độ cao trạm vi phân GPS biết xác tổng sai số hướng có xác đònh với độ xác trạm vò trí tính toán từ việc thu tín hiệu vệ tinh để đưa giá trò hiệu chỉnh Các trạm vi phân GPS không tính toán độ chênh lệch vò trí đo đạc vò trí thật, mà tính số hiệu chỉnh khoảng cách giả Số hiệu chỉnh vò trí khoảng cách giả Vi phân GPS linh goạt yêu cầu đònh vò với độ xác cao, chẳng hạn hàng hải cảng, sông luồng hẹp, đònh vò dàn khoan dầu, khảo sát đo đạc hải dương học, lại đất liền hạ cánh máy bay Bên cạnh độ xác đònh vò cao hơn, GPS vò phân nâng cao độ tin cậy hàng hải Nó đảm bảo với người sử dụng tất tín hiệu dùng để đònh vò kiểm tra hiệu chỉnh Tính toàn vẹn hệ thống nâng cao có vài sai sót hiệu chỉnh vệ tinh số hiệu chỉnh đồng hồ tức khắc trạm GPS vi phân báo động thông báo sai lệch Các nguồn sai số chủ yếu GPS vi phân : Sai số SA : sai số cố ý thêm vào tin hàng hải với mục đích bảo mật quân Loại sai số khoảng cách giả khoảng 30m (95%) Máy thu hàng hải loại PPS ghi nhận sai số loại trừ hoàn toàn Độ trễ điện ly : vùng biệt lập, sai số đạt tối 20-30m vào ban ngày 3-6m vào ban đêm Máy thu 2tần số nhận tần số L1 L2, nên hiệu chỉnh sai số cách tính toán độ trễ dự báo phát từ vệ tinh Phương pháp làm giảm sai số xuống lại vài mét Độ trễ đối lưu : chúng đạt tới 4m (95%) vệ tinh thấp đường chân trời Khi vệ tinh có độ cao 50 độ trễ không đáng kể, bỏ qua tính toán Sai số chòm vệ tinh : hiệu số vò trí dự đoán vò trí thật vệ tinh Thông thường sai số nhỏ (khoảng vài mét) 48 Sai số đồng hồ vệ tinh : hiệu số thời gian chuẩn hệ thống GPS thời gian dự đoán tin hàng hải vệ tinh 2.4.1 Một số phương pháp vi phân GPS 2.4.1.1 Trạm dẫn phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả Máy thu trạm dẫn đo khoảng cách giả tới tất vệ tinh quan sát (thường xuyên có vệ tinh quan sát) tính toán hiệu số khoảng cách tính toán khoảng cách đo đạc Số hiệu khoảng cách giả vệ tinh phát truyền đến người sử dụng Cần lưu ý khoảng cách giả hiệu chỉnh thêm Những ưu điểm hệ thống sử dụng số hiệu chỉnh khoảng cách giả : Các trạm dẫn phát số hiệu chỉnh cho tất vệ tinh quan sát Điều cho phép người sử dụng lựa chọn chòm vệ tinh Người sử dụng tùy ý lựa chọn loại máy thu khác Trong hệ thống hiệu chỉnh khoảng cách giả, trạm dẫn sử dụng đo khoảng cách giả không phụ thuộc vào thuật toán sử dụng để tính toán vò trí Người sử dụng loại bỏ vệ tinh có số hiệu chỉnh lớn Nhược điểm việc phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả đòi hỏi số lượng lớn phần mềm máy thu Như giá thành máy thu cao 2.4.1.2 Phát số hiệu chỉnh sai số vò trí Tương tự phương pháp thứ nhất, không phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả mà phát số hiệu chỉnh sai số vò trí Nhược điểm phương pháp người sử dụng phải có tính toán vài chòm vệ tinh giống trạm dẫn Chúng ta tưởng tượng xem với vệ tònh quan sát có gần 70 tổ hợp để xác đònh vò trí Như trạm dẫn phải có khả lớn để phát tất số hiệu chỉnh vò trí tất tổ hợp khoảng thời gian đònh Với quan điểm chuẩn hóa quốc tế GPS vi phân, Hội đồng vô tuyến Bắc Mỹ phục vụ hàng hải (RTCM) lập ủy ban vào tháng 11/83 Ủy ban gọi “Ủy ban đặc biệt 104 NAVSTAR vi phân/phục vụ GPS” với điều khoản hướng dẫn triển khai vi phân GPS, kiện, tần số ủy ban lựa chọn phương pháp thứ coi điều tiêu chuẩn trạm vi phân GPS tương lai 49 Tuy nhiên, trước vi phân GPS sử dụng rộng rãi hàng hải, vấn đề cấp bách sử dụng vi phân GPS vùng mật độ giao thông dày đặc, nơi có nhiều chướng ngại nguy hiểm, kể vùng dầu mỏ tập trung nơi thăm dò dầu khí 2.4.1.3 Vệ tinh giả (trạm mẫu chuẩn bò phân) Trạm mẫu chuẩn vi phân dạng đặc biệt vi phân GPS Giống vi phân GPS bao gồm máy thu 1máy phát đặt vò trí đònh Trạm mẫu chuẩn tính toán tất khoảng cách giả đến vệ tinh quan sát Tín hiệu vi phân GPS bao gồm số hiệu chỉnh khoảng cách giả đo đạc Các trạm mẩu chuẩn vi phân phát số hiệu chỉnh tần số L1 giống vệ tinh phát Do có tên gọi trạm mẫu chuẩn (Psendolites) vệ tinh giả (Psendo satellite) Hệ thống trạm mẫu chuẫn vi phân phát tín hiệu tương hợp với vệ tinh nghóa 1tần số Như không cần phải bổ sung phần mềm để lựa chọn nhận dạng thông tin (vệ tinh giả) Nhược điểm việc áp dụng tần số L1 : Tín hiệu trạm mẫu chuẩn vi phân bò giới hạn đường nhìn thấy gần 80Km bề mặt trái đất Yêu cầu nghiêm ngặt khả máy thu để điều khiển tín hiệu theo công suất khác Tín hiệu trạm mẫu chuẩn thường có công suất lớn tín hiệu vệ tinh Thông qua việc ứng dụng trạm mẫu chuẩn vi phân GPS hàng không – hấp dẫn hàng hải Vấn đề thời hàng chục năm hàng hải nâng cao độ xác vò trí xác đònh cảng, vùng hẹp vùng mật độ tàu qua lại nhiều Từ trước tới chưa hệ thống hàng hải đáp ứng cách tròn vẹn Duy có hệ thống đònh vò toàn cầu với vi phân GPS hệ thống trạm mẫu chuẩn vi phân hỏa mãn cách triệt để yêu cầu dẫn tàu vùng hẹp, ven bờ Tín hiệu trạm vi phân chuẩn đồng xác với thời gian chuẩn iPS người sử dụng nhập số đọc khoảng cách giả bổ sung cách sử dụng trạm vi phân chuẩn thay vệ tinh Tính nhân tạo làm tăng vùng bao phủ vệ tinh tăng đặc tính hình học hàng hải Như hàng hải xác thực tring trường hợp vùng bao phủ bò giảm 50 Bằng phương pháp sử dụng trạm mẫu chuẩn vi phân, xác đònh vò trí hàng hải cần vệ tinh Ứng dụng phương pháp trạm mẫu chuẩn vi phân tiết kiệm 1máy thu bổ dung để nhận số hiệu chỉnh vi phân từ trạm dẫn Như phương án trạm mẫu chuẩn vi phân có giá thành rẻ so với phương án khác GPS vi phân 2.5 ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ CÁC NGUỒN SAI SỐ CỦA GPS 2.5.1 Hai mức độ xác Xác đònh vò trí tàu hệ thống đònh vò toàn cầu qui đònh hai mức độ xác:  Sử dụng dân sự: Thường gọi phục vụ vò trí tiêu chuẩn (GPS Standard Positioning Service) Chế độ đònh vò tiêu chuẩn cho phép xác đònh vò trí theo không gian hai chiều với độ xác nhỏ 15-25m (xác suất 95%, 5% lại vò trí xác đònh có toạ độ xác  Sử dụng quân : Có số liệu đầu vào xác Phân thành loại sau : Phục vụ đònh vò xác (PPS - Precision Positioning Service) Chế độ đònh vò xác cho phép xác đònh vò trí theo không gian hai chiều với độ xác nhỏ 18m với xác suất 95% Trong thời gian phát triển hệ thống đònh vò toàn cầu kinh nghiệm cho thấy độ xác vò trí xác đònh theo chế độ đònh vò tiêu chuẩn tốt nhiều Bộ quốc phòng Mỹ không gây hạn chế người sử dụng dân Do hệ thống đònh vò toàn cầu hoạt động đầy đủ, Mỹ hạn chế tin hàng hải dân làm cho độ xác vò trí giảm Giới hạn độ xác sử dụng (Selective Availability - SA) : Qua thử nghiệm hệ thống GPS, người ta nhận thấy độ xác vò trí sử dụng mã C/A vượt mong đợi Bộ phòng thủ Mỹ muốn giảm độ xác hệ thống hệ thống sử dụng rộng rãi 51 Khi hệ thống đònh vò toàn cầu hoạt động đầy đủ Bộ quốc phòng Mỹ thực kế hoạch để giảm độ xác người sử dụng dân Như có lựa chọn sau : Mã C/A người sử dụng dân sự, tin hàng hải bò cắt xén Trong mã P hoàn toàn bí mật không thông báo cho người sử dụng dân biết Hệ thống đònh vò toàn cầu có hai mức độ xác : Phục vụ đònh vò tiêu chuẩn (SPS) dùng mã C/A tần số sóng mang L1 cho độ xác 100m (95%) Phục vụ đònh vò xác (SPS) dùng hai tần số L1 L2 cho mã P với độ xác 16m (95%) Hiện mã xác mã P phục vụ đònh vò xác cho người sử dụng Mỹ cho phép Theo quan điểm Mỹ phương án đònh vò xác sử dụng rộng rãi cho đối tượng quyền lợi an ninh nước Mỹ không bò tổn hại đe dọa 2.5.2 Sự suy giảm độ xác cấu hình vệ tinh máy thu đo đạc (DOP) 2.5.2.1 “Sai số khoảng cách tương ứng người sử dụng” (User Equivalent Range Error – UERE) Các sai số tồn máy thu GPS xác đònh khoảng cách đến vệ tinh bao gồm: Sai số đồng hồ vệ tinh: hiệu số thời gian chuẩn hệ thống GPS thời gian dự đoán tin hàng hải vệ tinh Mặc dù vệ tinh trang bò đồng hồ có độ xác cao, đồng hồ có sai số (có thể lên đến 0.001 giây) gây sai số khoảng 3m (68%) Độ trễ điện ly : tín hiệu truyền qua khí nên bò khúc xạ gây độ trễ điện ly, sai số phụ thuộc vào tần số sử dụng thời điểm ban ngày hay đêm Đối với máy thu tần số sai số khoảng 6.4m, máy thu 2tần số nhận tần số L1 L2, nên hiệu chỉnh sai số cách tính toán độ trễ dự báo phát từ vệ tinh Phương pháp làm giảm sai số xuống lại khoảng 0.4 mét Độ trễ đối lưu : chúng đạt tới 4m (95%) vệ tinh thấp đường chân trời Khi vệ tinh có độ cao 50 độ trễ không đáng kể, bỏ qua tính toán, trung bình sai số vào khoảng 0.4m hai loại máy thu 52 Sai số vò trí vệ tinh : hiệu số vò trí dự đoán vò trí thật vệ tinh tác động yếu tố gió vũ trụ, lực hấp dẫn Trái đất thiên thể vũ trụ, sai sót khâu điều khiển … Thông thường sai số nhỏ khoảng mét) Độ trễ đường truyền tín hiệu: tín hiệu vệ tinh truyền đến máy thu trực tiếp phản xạ từ vật khác Tín hiệu phản xạ gây sai số khoảng 3.0m (máy thu SPS) 1.2m (máy thu PPS) Nhiễu máy thu: phụ thuộc vào loại máy thu, xảy trình máy thu nhận tín hiệu, xử lý tính toán, sai số trung bình khoảng 2.5m (máy thu SPS) 0.5m (máy thu PPS) Sai số trung bình loại sai số vào khoảng 8.5m (68%) máy thu SPS (dân sự) 4.5m (68%) máy thu PPS (quân sự), gọi “sai số khoảng cách tương ứng người sử dụng” (User Equivalent Range Error – UERE) 2.5.2.2 Sự suy giảm độ xác DOP: Độ xác đònh vò điểm GPS phụ thuộc vào yếu tố : độ xác đo đạc (sai số khoảng cách đo được) hình học cấu hình vò trí vệ tinh máy thu đo đạc Độ xác đo đạc GPS thể ảnh hưởng tổng hợp mức độ tin cậy lòch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian nhiễu máy thu gọi “sai số khoảng cách tương ứng người sử dụng” (User Equivalent Range Error – UERE) Ảnh hưởng UERE dẫn đến suy giảm độ xác vò trí xác đònh hình học cấu hình vệ tinh với máy thu thể yếu tố độ suy giảm xác DOP (Dilution of Precision) Độ suy giảm xác mối quan hệ hình học đường vò trí giao Độ suy giảm hình học mức xác tốt góc cắt hai đường vò trí cắt góc 900 Các hình mô tả cấu hình vệ tinh : 53 Hình 21: Cấu hình vệ tinh kém, cho Giá trò DOP lớn nên độ xác Hình 22: Cấu hình vệ tinh tốt, cho Giá trò DOP nhỏ nên độ xác cao Hình 23: Hai đường vò trí cắt góc nhỏ, diện tích sai số lớn nên độ xác Hình 24: Hai đường vò trí cắt góc gần90o, diện tích sai số nhỏ nên độ xác cao Có nhiều trò số DOP khác nhau, tùy thuộc quan tâm độ xác số toạ độ riêng biệt tổng hợp tọa độ Các trò số DOP thường dùng : VDOP : độ suy giảm xác theo chiều cao (Vertical) HDOP : độ suy giảm xác theo phương ngang 2D (Horizontal position) PDOP : độ suy giảm xác không gian chiều 3D (Position) TDOP : độ suy giảm xác theo thời gian (Time) HTDOP : độ suy giảm xác theo phương ngang thời gian (Horizontal and Time) GDOP : độ suy giảm xác không gian 3D thời gian (Geometrical) 54 Trong hàng hải thường dùng giá trò độ suy giảm xác theo phương ngang HDOP Độ suy giảm hình học thường biểu thò tỷ số sai số vò trí sai số hệ thống Độ suy giảm tốt nghóa vệ tinh lựa chọn tạo thành chòm với đặc tính tình hình học tối ưu (theo quan điểm người sử dụng) Độ suy giảm hình học tốt có giá trò thông thường Độ xác tốt đường vò trí cắt góc 90o Trong hệ thống đònh vò toàn cầu, thuật ngữ độ suy giảm mức xác vò trí thường sử dụng giống đo đạc không chắn Độ suy giảm mức xác vò trí thể toàn ảnh hưởng sai số đo khoảng cách lên vò trí xác đònh mối tương quan vò trí hình học vệ tinh với Độ suy giảm mức xác có giá trò cao vệ tinh lựa chọn gần (theo quan điểm người sử dụng) Giá trò độ suy giảm mức xác cao có nghóa chòm vệ tinh có đặc tính hình học Do vệ tinh bay với vận tốc 233Km/phút nên mối tương quan hình học vệ tinh thay đổi nhanh thời gian xác đònh vò trí hệ thống đònh vò toàn cầu Điều có nghóa độ suy giảm mức xác thay đổi nhanh Máy thu GPS tự động tính toán thò độ suy giảm mức xác vò trí 55 2.6- MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS : 2.6.1- Những ưu điểm hệ thống hàng hải :  Đội tàu vận tải : Trong vận tải biển có loại tàu dầu, tàu hàng rời, tàu container, tàu khách… Mục đích chủ yếu vận chuyển hàng hoá từ nơi đến nơi khác cho tốn thời gian nhất, giá thành hạ điều kiện thời tiết tất nhiên phải an toàn Như hàng hải xác có ý nghóa quan trọng Theo quan điểm kinh tế cần phải phân tích, tính toán tìm đường ngắn để tốn nhiên liệu Nếu xét theo góc độ an toàn người ta lại phân tích tuyến đường sở mật độ tàu qua lại vùng ven bờ với độ sâu nhỏ Va chạm tàu mắc cạn có khả xảy với tàu dầu siêu trọng tàu chở sản phẩm chuyên dụng, chuyên chở hàng nguy hiểm Tai hoạ không gây hậu tính mạng người, vật chất mà gây hậu sinh thái Hệ thống đònh vò GPS thường xuyên hiệu chỉnh vò trí xác Đây thiết bò có vai trò quan trọng việc dẫn tàu xác, nhanh chóng loại trừ rủi ro, tai nạn va chạm Hàng hải đại dương thường theo cung vòng lớn Hệ thống đònh vò toàn cầu liên tục hiệu chỉnh vò trí để bám sát cung vòng lớn vạch sẵn Nếu máy thu đònh vò toàn cầu trang bò cho hàng hải dẫn đường truy theo với máy lái tự động tàu tự động theo cung vòng lớn vạch trước  Đội tàu đánh cá : Các bãi cá truyền thống ngày cá đi, người ta cần tìm ngư trường phong phú Mà việc đánh dấu bãi cá cần phải xác cao việc đánh dấu lại khu vực đắm tàu, đá ngầm, bãi rác công nghiệp biển mục tiêu đáy biển mà gây hư hại cho thiết bò đánh cá Với yêu cầu hệ thống đònh vò toàn cầu liên tục hiệu chỉnh vò trí xác đáp ứng việc dẫn tàu đến bãi cá việc đánh dấu chướng ngại vật Các vò trí đánh dấu lưu lại máy  Tìm kiếm cứu hộ : 56 Các tàu hàng hải điều kiện không tránh rủi ro xảy Nguyên nhân rủi ro phần yếu tố khách quan bất khả kháng, phần lớn sai lầm người Một tàu gặp rủi ro, điều cần thiết cần có giúp đỡ từ bên phải thông báo thông tin tai nạn : vò trí tai nạn, tính chất tai nạn… Trong thông tin vò trí nạn quan trọng, có vò trí xác công việc tìm kiếm cứu hộ nhanh chóng dễ dàng điều làm giảm thiệt hại tai nạn Hệ thống đònh vò toàn cầu đáp ứng yêu cầu đó, ghi lại tức thời vò trí nạn cách nhanh chóng xác giúp cho việc thông tin vò trí dễ dàng 2.6.2- Tóm tắt khả ứng dụng hệ thống GPS : 1) Trên biển : + Đội tàu vận tải, tàu cá, tàu du lòch : - Hàng hải đại dương, ven bờ cảng - Hàng hải kênh, sông - Giám sát giao thông thủy - Điều khiển tàu thuyền từ xa + Tìm kiếm cứu hộ + Thăm dò dầu khí : - Thăm dò : khảo sát thủy văn, khảo sát đòa chấn không gian chiều quy ước khảo sat đặt dàn khoan đường ống - Khoan thử : điều kiện công trình đòa chấn - Đònh vò : tàu khoan thiết bò đo - Mở rộng khu vực khai thác dầu + Khảo sát thủy văn : thiết lập hải đồ xác, hoạ đồ đáy biển, chướng ngại vật nguy hiểm + Bảo vệ bờ biển, nạo vét kênh luồng : thiết kế xây dựng cầu tàu, phát triển cảng, thiết kế xây dựng đập nước 57 2) Hàng không đất liền: + Điều khiển giao thông xác đònh vò trí đất liền: - Các đối tượng giao thông tư nhân, xe tải, taxi xe buýt - Tổ chức bảo vệ cứu hộ - Điều khiển giao thông đường sắt - Khảo sát đo đạc đồ hoạ - Nghỉ ngơi, giải trí thám hiểm du lòch + Hàng không: - Lập đồ không gian, không ảnh - Vạch tuyến đường điều khiển cất cánh hạ cánh máy bay - Điều khiển máy bay trực thăng hoạt động ven bờ - Thiết lập sân bay không cần người điều khiển + Không gian: ứng dụng cho việc đònh vò đònh hướng bay cho phương tiện không gian khác 58