-Phương pháp đo GPS -Ứng dụng GPS * Phần điều khiển đóng vai trò quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu, bởi vì đây là bộ phận có chức năng tính toán, xác định tọa độ của các vệ ti
Trang 1CÂU HỎI ÔN TẬP MÔN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
Câu 1: Mô tả hệ thống GPS, hiện nay có bao nhiêu vệ tinh GPS đang hoạt động? Và
gồm những block nào?
Câu 2: Cấu trúc tín hiệu GPS?
Câu 3: Trình bày đặc điểm chung của các loại máy thu GPS chính xác?
Câu 4: Sai phân, ý nghĩa của từng loại sai phân trong khắc phục sai số trong kết quả đo
GPS?
Câu 5: Hệ tọa độ WGS84; VN2000? Cách tính độ cao thủy chuẩn từ độ cao trắc địa? Câu 6: Các loại sai số trong đo GPS? Trong các loại sai số đó sai số nào phụ thuộc vào
người thiết kế lưới, chọn điểm?
Câu 7: Cách định vị tuyệt đối trong GPS? Máy GPS chính xác có định vị tuyệt đối được
hay không?
Câu 8: Định vị tĩnh trong GPS? Tại sao định vị tương đối lại chính xác hơn định vị tuyệt
đối?
Câu 9: Định vị tĩnh nhanh trong GPS? Định vị tĩnh, tĩnh nhanh thường áp dụng trong
những trường hợp nào?
Câu 10: Nguyên tắc chọn điểm trong thiết kế lưới đo bằng công nghệ GNSS?
Câu 11: Kể tên một số phần mềm xử lý GPS? Nêu các bước cơ bản khi xử lý số liệu đo
GPS?
Câu 12: Cho tên file đo GPS dạng Rinex hãy cho biết mã hiệu máy
thu GPS? Ca đo thứ mấy? Đo ngày tháng năm? (theo ngày dương
lịch)?
Giảng viên Thái Văn Hòa
Câu 1: Mô tả hệ thống GPS, hiện nay có bao nhiêu vệ tinh GPS đang hoạt động? Và
gồm những block nào?
Câu 1: Mô tả hệ thống gps? Phần nào quan trọng nhất? giải thích.
1 Mô tả hệ thống GPS
đoạn không gian
đoạn điều kiển đoạn sử dụng
a Đoạn không gian:
- gồm 24 vệ tinh bay theo 6 quỹ đạo
-Mỗi mặt phẳng quỷ đạo tạo với mặt phẳng xích đạo 1 góc 550
- Cách mặt đất 20.200km mỗi giờ bay hết 11h58’ Vệ tinh phát tín hiệu được mã hóa và thông tin đạo hàng , được điều biến trên 2 tần số sóng tải
- vệ tin có kích thước chừng 5m ,gồm 2 đồng hồ nguyên tử
b Đoạn điều khiển.
- Trung tâm đặt tại colorado Springs, 5 trạm quan trắc tín hiệu, 3 trạm kiểm soát mặt đất(1994)
Trang 2c Đoạn sử dụng
-Cách sử dụng máy thu tín hiệu
-Phương pháp đo GPS
-Ứng dụng GPS
* Phần điều khiển đóng vai trò quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu, bởi
vì đây là bộ phận có chức năng tính toán, xác định tọa độ của các vệ tinh thông qua trạng thái của vệ tinh được truyền bằng tín hiệu từ vệ tinh về trạm, sau đó các thông số
về tọa độ của vệ tinh lại được truyền lại cho vệ tinh để nó truyền về các máy thu
Câu 2: Cấu trúc tín hiệu GPS?
- Đồng hồ nguyên tử celium trên vệ tinh tạo tần số chuẩn f0 = 10,23Mhz với sai số
10-12/ngày
- Sóng tải L1 được tạo ra bằng bội số 154 lần tần số chuẩn (tần số 1575, 42Mhz, bước sóng 19,0cm)
- Sóng tải L2 được tạo ra bằng bội số 120 lần tần số chuẩn (tần số 1227, 60Mhz, bước sóng 24,4cm)
Có 3 loại mã trên song tải là mã C/A, mã P và Thông tin đạo hàng
- Mã C/A thường được hiểu là mã thong dụng gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được lặp lại sau mỗi phần triệu giây, tương đương chiều dài bước song 300m Mã C/A chỉ được truyền có trên song tải L1
- Mã P – mã chính xác là chuỗi rất dài kí tự 0 và 1, được lặp lại sau 38 tuần lễ, chiều dài bước sóng là 29,30m Nó được truyền trên cả hai song tải
- Tuy nhiên, Bộ Quốc phòng Mỹ đã sử dụng mã W để che phủ lên mã P tạo nên mã Y Chỉ có Quân đội Mỹ và đồng minh mới được tiếp cận mã P
- Thông tin đạo hàng là chuỗi số liệu được bổ sung trên hai song tải và điều biến lưỡng pha với tốc độ chậm 50bit/giây và lặp lại sau 30 giây
Thông tin đạo hàng chứa toạ độ vệ tinh theo thời gian, tình trạng sức khoẻ của vệ tinh, các trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, số liệu almanac của vệ tinh, số liệu khí tượng Mỗi vệ tinh truyền thông tin đạo hàng của riêng mình cùng với các thong tin trên các
vệ tinh khác như là toạ độ gần đúng, tình trạng sức khoẻ (vẽ hình)
Câu 3: Trình bày đặc điểm chung của các loại máy thu GPS chính xác?
- Có 2 loại máy thu:
+ Máy thu 1 tần chỉ nhận được sóng tải L1, khoảng cách đo ngắn nhưng giá rẻ, dể sử dụng, chủ yếu được sử dụng để đo đạc địa chính hay thành lập bản đồ
+Máy thu 2 tần thu được cả 2 sóng, khoảng cách đo dài , cho được độ chích xác cao
- Ăng ten GPS: ăng ten choke Ring có vành chống phản xạ
- Cấu trúc: Bộ kiểm soát , tần số radio,ăng ten bộ nguồn, thiết bị luu trữ
Câu 4: Sai phân, ý nghĩa của từng loại sai phân trong khắc phục sai số trong kết quả
đo GPS?
câu 3 Tổ hợp tuyến tính các trị đo gps (trong bài giảng phần 1.3.6)
a,Saiphânbậc1
Trang 3- Các trị đo của hai máy thu GPS quan trắc đồng thời một vệ tinh sẽ chứa những sai
số liên quan tới vệ tinh và các sai số liên quan khí quyển tương tự nhau Dođó, khi ta tính hiệu (saiphân) các trị đo tại hai máy thu đồng thời, thì nhóm sai số liên quan vệ tinh và nhóm sai số liên quan khí quyển trong các sai phân này sẽ được giảm nhỏ
- Sai phân này được gọi là sai phân bậc 1 Sai số đồng hồ vệ tinh được loại bỏ một cách hiệu quả trong sai phân này
Phương trình pha tại điểm quan sát A và B:
Lấy hiệu số hai phương trình trên ta được :
Phương trình này đc gọi là phương trình sai phân bật nhất
Ký hiệu:
Phương trình trở thành:
Đây là dạnh cuối cùng của phương trình sai phân bật nhất và trong phương trình trên
đã loại bỏ được sai số đồng hồ vệ tinh
b, Sai phân bậc 2
- Khi hai máy thu đồng thời quan trắc hai vệ tinh, ta sẽ tính được hai sai phân bậc 1 máy thu Trừ đi cho nhau hai sai phân này, ta sẽ nhận được cái gọi là sai phân bậc 2 loại bỏ sai số đồng hồ cả máy thu lẫn vệ tinh và giảm thiểu đáng kể các loại sai số khác
Ta có hai phương trình sai phân bật 1 như sau:
Nêu coi tần số phát từ vệ tinh j và vệ tinh k là bằng nhau tức là ta có:
Phương trình viết gọn lại:
Trang 4c, Sai phân bậc 3
- Bởi vì việc quan trắc được thực hiện trong một khoảng thời gian dài nhất định, bao gồm các thời khắc đo (epoch) khác nhau, nên ta sẽ tạo được sai phân bậc 3 từ hai sai phân bậc 2, trong đó ẩn số số nguyên đa trị sẽ được loại bỏ, tạo điều kiện tìm được lời gải định vị nhanh tuy có kém chính xác Nó cũng là công cụ hữu hiệu để phát hiện đoạn trị đo chứa trượt chu kỳ để ta tìm cách khắc phục (vẽ hình)
Ký hiệu hai thời điểm quan sát t1 và t2 cùng quan sát các vệ tinh j,k Tương ứng ta có hai sai phân bậc 2:
Hiệu của hai sai phân bậc được :
Biểu thức trên còn gọi là sai phân bậc 3, viết gọn lại ta được:
Lưuý:
- Tất cả ba loại sai phân này đều có thể tạo ra đối với trị đo pha hay trị đo giả khoảng cách, máy thu 1tần hoặc máy thu 2 tần
- Đối với máy 2 tần ta có thể tạo được tổ hợp tuyến tính L3 được tạo ra từ trị đo trên L1 và trị đo tương ứng trên L2 Loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của độ trễ tầng ion nên hay gọi là tổ hợp tuyến tính phi ion
- Các trị đo trên song tải L1 và L2 còn cho phép tạo ra trị đo cổng rộng (Wide-land) với bước sóng 86cm và trị đo cổng hẹp (Narow-land) bước sóng 11cm, để tìm lời giải
số nguyên đa trị hiệu quả hơn
Câu 5: Hệ tọa độ WGS84; VN2000? Cách tính độ cao thủy chuẩn từ độ cao trắc địa?
Hệ toạ độ WGS84 được định nghĩa bởi:
- Ellipsoid WGS84,
-Gốc toạ độ trùng với tâm hệ Trái đất (bao gồm cả đại dương và khí quyển) với độ chính xác 1m,
- Định hướng các trục (định hướng của đường xích đạo ellipsoid và đường kinh tuyến gốc) trùng với đường xích đạo và đường kinh tuyến gốc của Uỷ ban giờ quốc tế tại thời điểm 1984.0
- Từ 1984.0 định hướng các trục và của ellipsoid được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0 Điều này bảo đảm trục Z của hệ quy chiếu WGS84 trùng với Cực quay quy chiếu quốc tế và kinh tuyến gốc của ellipsoid trùng với kinh tuyến quy chiếu quốc tế
- Hình dạng và kích thước của ellipsoid WGS84 được xác định bởi cặp tham số bán kính lớn và độ dẹt
Trang 5- Giá trị vận tốc góc quay chuẩn của Trái đất và hằng số trọng lực trái đất được nhận theo các giá trị quy ước
Một số lưu ý:
- Ellipsoid WGS84 được xác định theo nghĩa thích hợp nhất với Geoid trên quy mô toàn cầu
- Các trục của hệ toạ độ WGS84 được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0 và do đó các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của nó không cố định đối với một quốc gia cụ thể
- Khách hang GPS khai thác thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ tính được toạ độ của mình trong hệ WGS84 Khi sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác từ Tổ chức IGS, ta sẽ nhận được toạ độ trong ITRF
- Hiện nay Việt Nam cũng sử dụng ellipsoid WGS84, được định vị cho thích hợp với lãnh thổ của mình trên cỡ 25 điểm đo GPS khác hính xác kèm theo đo thuỷ chuẩn chính xác trong hệ độ cao Hòn Dấu, nên gọi là hệ quy chiếu riêng Đối với hệ quy chiếu địa phương kiểu này, tâm ellipsoid không trùng với tâm Trái đất và thậm chí trục của nó cũng không song song với các trục tương ứng của hệ WGS84 Việt Nam xây dụng hệ quy chiếu riêng gọi là VN2000 Mỗi điểm trong số 25 điểm trên có sai số định vị cỡ 1÷3m trong hệ WGS84
Câu 6: Các loại sai số trong đo GPS? Trong các loại sai số đó sai số nào phụ thuộc vào
người thiết kế lưới, chọn điểm?
2.1 Sai số đoạn không gian
2.1.1 Sai số toạ độ vệ tinh
- Sai số quỹ đạo thong thường đạt danh nghĩa trong khoảng 2÷5m
- Sai phân bậc 1 nhìn chung không thể loại bỏ hoàn toàn sai số quỹ đạo vệ tinh, trừ trường hợp hai máy thu đặt gần nhau (cạnhngắn) Trong định vị tương đối, đã xác định được mối quan hệ giữa sai số đo cạnh và sai số quỹ đạo vệ tinh như sau: Sai số
đo cạnh / chiều dài cạnh = sai số quỹ đạo vệ tinh / khoảng cách tới vệ tinh
2.1.2 Sai số đồng hồ vệ tinh
- Các đồng hồ vệ tinh rất chính xác nhưng vẫn chưa hoàn hảo tuyệt đối Độ ổn định của nó đạt khoảng (1÷2) 10-13 /ngày Nghĩa là, sai số đồng hồ vệ tinh khoảng
8,64÷17,28 ns/ngày, gây nên sai số đo cạnh từ 2,59m ÷ 5,18m
2.1.3 Độ suy giảm độ chính xác do đồ hình vệ tinh
- Độ chính xác kết quả đo GPS còn phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm đo trên mặt đất, đặc trưng bởi hệ số suy giảm độ chính xác (viết tắt theo tiếng Anh là DOP)
- DOP là tỷ số giữa sai số vị trí điểm đo và sai số trị đo
- DOP càng nhỏ thì vị trí điểm đo được xác định càng chính xác;
- DOP thông thường lớn hơn 1, trừ phi có trị đo dư thừa hay nhận được tín hiệu từ trên
8 vệ tinh
- DOP được sử dụng như là cơ sở để lập kế hoạch đo, DOP được chia thành:
- GDOP - hệ số suy giảm độ chính xác hình học, là hệ số tổng hợp nhất
Trang 6- PDOP - hệ số suy giảm độ chính xác vị trí điểm,
- HDOP - hệ số suy giảm độ chính xác mặt bằng,
- VDOP - hệ số suy giảm độ chính xác độ cao,
- TDOP - hệ số suy giảm độ chính xác thời gian
2.2 Sai số đoạn sử dụng
2.2.1 Sai số đồng hồ máy thu
- Đồng hồ máy thu chỉ là loại đồng hồ thạch anh, có độ chính xác kém xa đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên ta có thể loại bỏ sai số đồng hồ máy thu bằng sai phân bậc 2 hoặc bằng cách coi nó là ẩn số bổ sung trong quá trình xử lý
2.2.2 Sai số tâm pha ăng ten
- Tâm pha ăng ten không trùng với tâm vật lý (hình học) của ăng ten
- Độ lệch này thay đổi tuỳ thuộc góc ngưỡng nhận tín hiệu, phương vị của vệ tinh phát tín hiệu xuống cũng như cường độ của tín hiệu
2.2.3 Sai số khúc xạ đa đường dẫn
- Sai số khúc xạ đa đường dẫn là do song tín hiệu từ vệ tinh đến ăng ten máy thu bằng nhiều đường khác nhau: trực tiếp từ vệ tinh và từ các vật cản chung quanh điểm đo phản xạ tới
- Sai số đa đường dẫn làm biến dạng tín hiệu gốc do giao thoa với tín hiệu phản xạ tại ăng ten máy thu
2.2.4 Độ trễ tầng điện ly
- Được phát từ độ cao hơn 20.200km xuống máy thu đặt trên Trái đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu gây nên cái gọi là độ trễ
- Cả hai đều gây nên sai số hệ thống
2.2.5 Độ trễ tầng đối lưu
Là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm không khí – gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến cả mã (code) lẫn pha song tải đều chịu cùng một độ trễ Độ trễ này phụ thuộc vào góc ngưỡng của vệ tinh
Câu 7: Cách định vị tuyệt đối trong GPS? Máy GPS chính xác có định vị tuyệt đối được hay không?