BÁO CÁO MÔN HỌC TỔNG QUAN MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Học viện cơng nghệ bưu viễn thơng ************ Báo cáo mơn học TỔNG QUAN VIỄN THƠNG Tên đề tài: Hệ thống định vị tồn cầu Nhóm 10:  Trần Minh Phúc  Hoàng Duy Phương  Nguyễn Ngọc Hải  Nguyễn Văn Việt Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Lời mở đầu: Từ thời xa xưa, người biết sử dụng kiến thức thiên văn học hay dụng cụ thô sơ để tự định hướng cho Với phát triển khoa học kỹ thuật cơng nghệ định vị tồn cầu phát triển khơng xa lạ với Nhờ có cơng nghệ mà việc xác định vị trí xác tọa độ bạn hay đối tượng cách đơn giản Bản báo cáo xin giới thiệu trình bày lịch sử phát triển công nghệ định vị từ trước Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Chương 1: Phụ lục GPS Global Positioning System – Hệ thống định vị toàn cầu quốc phòng Hoa Kỳ thành lập UTC Coordinated Universal Time – Là chuẩn quốc tế ngày thực phương pháp nguyên tử USNO United States Naval Observatory – Cục hải quân Hoa Kỳ GALILEO Hệ thống định vị toàn cầu liên minh khối EU GLONASS Hệ thống định vị toàn cầu Liên Bang Nga CDMA Code Division Multiple Access - Đa truy nhập theo mã GNSS Global Navigation Satellite System - tên dùng chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh GPS (Hoa Kỳ), Hệ thống định vị Galileo (Liên minh châu Âu) GLONASS (Liên bang Nga) SPS Standard Positioning Service – Dịch vụ tiêu chuẩn, cung cấp cho quân đội Hoa Kỳ PPS Precise Positioning Service – Dịch vụ định vị xác dành cho người sử dụng tồn cầu với mục đích dân GIS Geographic information system – Hệ thống thông tin địa lý AS Anti spoofing – Chống giả mạo, chế đánh bại mục đích làm lỗi hay làm nhiễu nhờ vào cách mã hóa quân NUDETG Cục Hạt nhân Hoa Kỳ Deception Là kỹ thuật mà kẻ thù giả mạo nhiều jamming vệ tinh khác với mục đích làm nhiễu (VD: Giả mạo mã, tín hiệu điều hướng,dữ liệu,…) Định luật Kepler Các hành tinh chuyển động quanh mặt trời theo quỹ đạo hình I: elip, với mặt trời tiêu điểm elip Định luật Kepler Diện tích qt vector bán kình hành tinh tỷ lệ II: thuận với thời gian Hay nói cách khác diện tích bán kính vector quét khoảng thời gian Định luật Kepler Bình phương chu kỳ chuyển động hành tinh tỷ lệ III: với lập phương bán trục lớn quỹ đạo elip hành tinh ( T2/a3 = const ) Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Chương 2: Giới thiệu tổng quát hệ thống định vị toàn cầu Lịch sử phát triển hệ thống định vị toàn cầu: Từ xa xưa người biết sử dụng kiến thức thiên văn học để áp dụng vào việc tìm phương hướng Để xác định đường phải người cổ xưa phải xem xét vào nhiều yếu tố hướng mặt trời (vào lúc sáng) hay dựa vào vị trí chùm (vào lúc tối) để định hướng cho Qua thời gian vật dụng để xác định phương hướng đời la bàn, tiếp đến với tiếp nối khoa học kỹ thuật ngày có thành tựu to lớn nhờ phát triển hệ thống định vị toàn cầu Nhờ vào hệ thống định vị toàn cầu mà việc xác định phương hướng hay vạch lộ trình cho hành trình cách dễ dàng Cho tới giới có hệ thống lớn gồm có GPS Bộ quốc phòng Hoa Kỳ, Galileo liên minh khối châu âu cuối Glonass Liên Xô cũ Liên bang Nga Trước hệ thống sử dụng với mục đích quân hay phục vụ cho quốc gia, hệ thống đưa vào sử dụng cho tồn cầu hồn tồn miễn phí với người sử dụng Tức cần máy thiết bị đầu cuối có tích hợp chip định vị GPS sử dụng loại dịch vụ định vị ( Ví dụ máy GPS, máy PDA, hay Smart phone thị trường có chức định vị này) Hình 2.1.1: Máy định vị GPS Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Hình 2.1.2: Máy điện thoại Smart phone có tích hợp chip GPS Từ dịch vụ cung cấp GPS khái niệm nhắc tới nhiều người dân toàn cầu sử dụng rộng rãi lĩnh vực sống không nghiên mục đích quân ban đầu Sơ lược GPS GPS hệ thống định vị quốc phòng mĩ thiết kế, xây dựng, vận hành quản lý Với mục đích phục vụ cho chiến tranh giới thứ GPS bất đầu phát triển vào năm 1940 , năm 1956 áp dụng lý thuyết tương đối xác cách sử dụng đồng hồ nguyên tử đặt vệ tinh Qua thời gian dài phát triển hệ thống trở nên hồn thiện với cơng nghệ cao xác Vệ tinh đưa lên quỹ đạo vào năm 1978 hoạt động đầy đủ vào năm 1990 GPS bao gồm 24 vệ tinh hoạt động quỹ đạo vệ tinh dự phòng chúng chia thành mặt phẳng quỹ đạo Mỗi mặt phẳng quỹ đạo có góc lệch với mặt phẳng kề 60 độ Trong mặt phẳng có vệ tinh Các vệ tinh nằm phân bố cho nơi trái đất phủ sóng máy thiết bị cuối có vệ tinh để định vị cho Để làm điều vệ tinh GPS phải theo dõi trạm gốc Trạm gốc có sở đặt Colorado Spring, ngồi số trạm khác nằm vị trí tồn cầu với mục đích cho vệ tinh bay quỹ đạo mà định sẵn Như Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu mạng đảm bảo việc điều hướng tải liệu cho vệ tinh hoạt động cách xác tránh gây sai lệch Sơ lược GLONASS GLONASS liên xô phát triển đưa vào quỹ đạo vào tháng 10 năm 1982 ngày 24 tháng năm 1993 đưa vào sử dụng Vệ tinh GLONASS bay độ cao 19.100 km Bao gồm 24 vệ tinh với mặt phẳng quỹ đạo, góc nghiên chúng khoảng 64,8 độ Về GLONASS giống GPS cách hoạt động Ngày GLONASS có 26 vệ tinh gồm 21 vệ tinh hoạt động vệ tinh chuẩn bị đưa vào hoạt động dùng để thay dự phòng Do GLONASS hệ thống chưa hồn thiện để tạo thành hệ thống định hướng phải cần tới tối thiểu 24 vệ tinh hoạt động lúc Hiện độ bao phủ GLONASS trái đất 80% lãnh thổ nga 94% Đồng nghĩa với việc gián đoạn thời gian trái đất tối đa 2,4 lãnh thổ nga 0,5 Sơ lược GALILEO Là hệ thống định vị toàn cầu xây dựng khối liên minh châu âu Galileo khác với GPS GLONASS chỗ hệ thống định vị đưuọc điểu hành quản lý tổ chức dân dụng, phi quân Galileo theo kế hoạch thức hoạt động vào khoảng năm 20112012 (Muộn năm so với kế hoạch ban đầu) Hệ thống đặt tên theo nhà thiên văn học người ý nhằm tưởng nhớ đóng góp ơng GALILEO gồm có 30 vệ tinh bay độ cao 23.222km Phân bố mặt phẳng quỹ đạo có góc nghiên 56 độ Hệ thống định vị toàn cầu GNSS GNSS tên chung cho hệ thống định vị toàn cầu sử dụng vệ tinh GPS Hoa Kỳ, GALILEO liên minh EU, GLONASS Liên bang Nga Trong lịch sử có giai đoạn phát triển GNSS đáng ý GNSS1 GNSS2 GNSS1 : hệ thống kết hợp hai hệ thống định vị GPS GLONASS GNSS2 : hệ thứ hai hệ thống định vị toàn cầu cung cấp dịch vụ định vụ bao phủ toàn cầu Tổng kết Dịch vụ định vị toàn cầu Như qua sơ lược lịch sử phát triển số hệ thống lớn định vị có nhìn bao qt dịch vụ Ngồi hệ thống kể có nước khác phát triển Trung quốc, hứa hẹn mang lại dịch vụ tốt cho giới Ở chương sâu số khái niệm cách thức vận hành hoạt động hệ thống (Chủ yếu hệ thống GPS) Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Chương 3: Đối tượng ,phân tầng hoạt động dịch vụ GNSS Đối tượng GNSS Cũng giống với loại hình dịch vụ khác dịch vụ GNSS có đối tượng Khách hàng, Nhà cung cấp dịch vụ Nhà cung cấp mạng Trong chương tìm hiều đồi tượng mối liên hệ chúng Đầu tiên nhà cung cấp sở hạ tầng bao gồm quốc gia có vệ tinh góp phần định vị (Hoa kỳ, LB Nga, Anh, ) Tiếp tới nhà cung cấp dịch vụ giống nhà cung cấp hạ tầng Khách hàng tất người sử dụng có thiết bị đầu cuối tích hợp chip GPS Phân đoạn hoạt động GNSS • Tầng khơng gian: Bao gồm có hệ thống chòm vệ tinh định vị Và để đưa vào hoạt động bảo có 24 vệ tinh Các vệ tinh phân bổ mặt phẳng định vị sẵn Các vệ tinh phải nằm cho bao phủ hết tồn cầu Vậy cần có hệ thống khác điều khiển vệ tinh làm điều Phần điều khiển: Ở phần bao gồm trạm giám sát, trạm điều khiển,… trạm có trách nhiệm giám sát tải liệu điều hướng cho vệ tinh bay quỹ đạo định sẵn tránh xảy sai lệch Phần người sử dụng: Người sử dụng dùng máy định vị để xác định vị trí nhờ cách nhận tín hiệu từ vệ tinh Theo có nhiều ứng dụng GNSS lĩnh vực quân sự, khảo sát nghiên cứu khoa học, dẫn đường phương tiện đường biển đường khơng,… • • Dịch vụ cung cấp chất lượng • GPS: Cung cấp loại hình dịch vụ cho mục đích quân (SPS) cho mục đích dân (PPS) Với SPS tất người tồn cầu sử dụng hồn tồn miễn phí nhiên bị hạn chế cách sử dụng Nó cung cấp độ xác thấp so với dịch vụ PPS, Chi tiết SPS cung cấp độ dự đốn xác khoảng 13m(95%) theo chiều ngang 22m(95%) theo chiều đứng thời gian UTC chuyển xác vòng 40 ns (95%) Dịch vụ PPS cung cấp cho quốc phòng mĩ vơi độ xác cao, bảo mật tốt, chống nhiễu sóng độ tin cậy lớn tất nhiên PPS sử dụng với cho phép phủ Hoa Kỳ PPS cung cấp độ dự đốn xác Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu • • 22m theo chiều ngang(95%), 27,7m theo phương đứng (95%) Thời gian UTC chuyển xác vòng 200ns (95%), tốc độ xác đo dược quy định vào khoảng 0,2 m/s (95%) GLONASS: Cũng giống GPS sử dụng vào mục đích quân mục đích dân GLONASS cung cấp tín hiệu xác định tần số L1,L2 (1,2 GHz) với độ xác cao với tần số L1 (1,6GHz) Độ xác dự đốn theo phương ngang từ 50 – 70m (99,7%) theo phương đứng 70m (99,7%), vector thành phần vận tốc xác vào khoảng 15 cm/s độ xác thời gian 0,7 mcs (99,7%) GALILEO: Cung cấp loại hình dịch vụ  Dịch vụ mở (open service): miễn phí với đối tượng Người dùng sử dụng tần số L1 E5A Độ xác với máy thu tần số m cho phương ngang m cho chiều thẳng đứng Đối với máy thu tần số (L1), độ xác 15 m 35 m, tương đương với GPS thời  Dịch vụ trả tiền (commercial service): dành cho đối tượng cần có độ xác < m với khoản phí định Dịch vụ cung cấp thông qua tần số thứ (E6)  Dịch vụ cứu hộ (safety of life service): dành riêng cho cứu hộ, độ bảo mật cao, chống gây nhiễu sóng  Dịch vụ cơng cộng (public regulated service): dành riêng cho phủ quân đội nước Liên minh châu Âu Đặc biệt bảo mật, độ tin cậy cao Chương 4: Hệ thống GPS Trong phần nghiên cứu chủ yếu hệ thống định vị GPS CƠ BẢN VỀ MỘT SỐ KHÁI NIỆM TRONG GPS Một máy thu GPS tính tốn vị trí cách xác định xác thời gian tín hiệu gửi vệ tinh GPS ngồi khơng gian tới Để làm việc máy thu GPS phải nhìn nhấy vệ tinh GPS thực tính tốn xác định vị trí cách sử dụng thơng tin từ vệ tinh GPS Q trình dựa nguyên lý toán học đơn giản Bên cạnh GPS cần biết khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí cần xác định mặt đất nhờ công thức: S=v*t Để thực việc tính tốn trên, máy thu GPS phải biết hai thứ tối thiểu: vị trí vệ tinh khoảng cách máy thu GPS đến vệ tinh Bằng cách phân tích sóng điện từ tần số aco, công cực thấp từ vệ tinh, máy thu GPS tính tốn hai điều đó, hay máy thu tính toán khoảng cách dựa vào khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu đến máy thu Nhiều đơn vị tín hiệu GPS thu nhận cho thấy thông tin hướng tốc độ, bị thay đổi Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Theo nguyên tắc cần vệ tinh đủ để xác định vị trí máy thu GPS Nhưng có yếu tố khác làm ảnh hưởng tới chất lượng thu nhận tín hiệu vệ tinh, cần dùng từ nhiều để xác định xác vị trí (với sai số nhở hơn) Sơ qua cách tính tồn: Giả sử máy thu GPS sử dụng liệu từ tín hiệu vệ tinh thu được, máy thu xác định thời gian gửi vị trí vệ tinh Với x,y,z thành phần vị trí tọa độ thời gian gửi t ta có tập tín hiệu tới là: [xi ,yi ,zi,ti] với i số vệ tinh GPS tự xác định thời gian tr lúc nhận tin nhắn vệ tinh từ xác định khoảng thời gian vận chuyển tin nhắn môi trường không gian là: tr - ti Giả sử tin nhăn truyền với tốc độ tốc độ ánh sáng ( khoảng cách máy thu vệ tinh xác định : c = 300.000 Km/s) ( tr - ti )c Mỗi vị trí vệ tinh khoảng cách vệ tinh xác định hình cầu với tầm vị trí vệ tinh bán kính khoảng cách vệ tinh tới máy thu Khi với tín hiệu vệ tinh ta có hình cầu tương ứng Trong trường hợp lý tưởng khơng có lỗi máy thu GPS xác định nằm giao điểm mặt cầu Một ví dụ cho cách xác định: Giả sử bạn nơi Vietnam, bạn hồn tồn khơng biết minh đâu, lý Bạn gặp người dân địa phương hỏi cách thân thiện: “làm ơn cho biết đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn cách Vũng tàu 45 km” Đây thật thú vị, chưa thật có ích bạn đâu vòng tròn có tâm Vũng tàu, bán kính 45 km Bạn hỏi người khác ta cho biết bạn cách Biên Hồ 40 km Bây bạn Nếu bạn tổng hợp hai thơng tin, bạn có hai vòng tròn giao Vị trí bạn hai giao điểm hai đường tròn Người thứ ba cho bạn biết vị trí bạn cách Sài gòn 30 km Bây bạn biết đâu Áp dụng nguyên lý vào không gian chiều, ta có mặt cầu thay đường tròn, giao điểm Về mặt ngun lý khơng khác nhiều lắm, khó tưởng tượng mơ tả hình vẽ Thay đường tròn, bạn có mặt cầu Nếu bạn biết minh cách vệ tinh A 20 km, bạn nơi mặt cầu khổng lồ có bán kính 20 km Nếu bạn biết thêm bạn cách vệ tinh B 30 km, giao Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu tuyến hai mặt cầu đường tròn V Và bạn biết thêm khoảng cách đến vệ tinh C, bạn có thêm mặt cầu, mặt cầu giao với đường tròn V hai điểm Trái đất mặt cầu thứ tư, hai giao điểm nằm mặt đất, điểm thứ hai nằm lơ lửng khơng gian dễ dàng bị loại Với việc giả sử trái đất mặt cầu, ta bỏ qua cao độ bạn Do để có tung độ, hoành độ cao độ, bạn cần thêm vệ tinh thứ tư Phân tích sâu chút: Một vấn đề cần lưu ý khoảng thời gian trễ: Chiều dài khoảng thời gian trễ thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh Máy thu nhận thời gian với tốc độ ánh sáng để xác định quãng đường truyền tín hiệu Giả sử tín hiệu truyền đường thẳng, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Để thực phép đo này, phải chắn đồng hồ vệ tinh máy thu phải đồng với Một sai số mili giây dẫn đến sai số 300 ngàn mét, q nhiều phải khơng bạn Do đó, độ tối thiểu cho máy thu phải cỡ nano giây (10-9 ) Để có độ xác vậy, phải trang bị đồng hồ nguyên tử cho không vệ tinh mà máy thu bạn Nhưng đồng hồ nguyên tử lại đắt, khoảng 50 đến 100 ngàn Điều q đắt thật khơng thiết thực Để đưa ứng dụng GPS đến với chúng ta, ký sư có giải pháp thơng minh hiệu Mỗi vệ tinh mang theo đồng hồ nguyên tử, máy thu trang bị đồng hồ quartz thông thường Các đồng hồ quartz điều chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu truyền từ vệ tinh Trên lý thuyết mặt cầu phải giao điểm Nhưng sai số đồng hồ quartz rẻ tiền, mặt cầu không cho giao điểm Biết sai số gây đồng hồ máy thu Δt, máy thu dễ dàng loại trừ sai số cách tính tốn lượng hiệu chỉnh cần thiết để mặt cầu giao điểm Dựa vào đó, máy thu tự động điều chỉnh đồng hồ cho đồng với đồng hồ nguyên tử vệ tinh Nhờ mà đồng hồ máy thu có độ xác gần tương đương với đồng hồ nguyên tử Vậy chuyện đo khoảng cách giải ổn thoả Biết khoảng cách rồi, phải biết vị trí xác vệ tinh quĩ đạo Điều khơng khó vệ tinh chuyển đông quĩ đạo biết trước dự đốn được.Trong nhớ máy thu có chứa bảng tra vị trí tính tốn tất vệ tinh vào thời điểm gọi Almanac 10 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu  Thơng tin xác quỹ đạo (Theo lịch thiên văn)  Hệ thống niên giám quỹ đạo thô tất vệ tinh GPS GPS định dạng tin nhắn Subframes Mô tả Vệ tinh đồng hồ, GPS thời gian mối quan hệ 2­3 Lịch thiên văn (Chính xác quỹ đạo vệ tinh) 4­5 Almanac thành phần (Mạng lưới vệ tinh tóm tắt, sửa lỗi) Hình 4.3.3: Bảng mơ tả địn dạng tin nhắn GPS vệ tinh Mỗi vệ tinh GPS liên tục phát thông điệp chuyển hướng tốc độ 50 bit/s.Mỗi tin nhắn hồn chỉnh bao gồm 30 khung hình thứ nhóm đặc biết với 1500 bit thơng tin Mỗi khung chia nhỏ thành Subframes chiều dài 0,6s với 300 bit ,Mỗi Subframe chứa 10 từ 30 bit với chiều dài 0,6s Sau 30s khung bắt đầu xác vào thời điểm phút nửa phút đồng hồ nguyên tử vệ tinh Phần đầu thông điệp mã hoá số tuần thời gian tuần ,cũng liệu sức khoẻ vệ tinh.Phần thứ tin nhắn,các Lịch thiên văn,cung cấp xác quỹ đạo cho vệ tinh.Phần cuối niên giám,có quỹ đạo thơ thông tin trạng thái cho tất vệ tinh mạng liệu liên quan đến sửa chữa sai sót Tất vệ tinh phát sóng tần số.Tín hiệu mã hố cách sử dụng đa truy nhập phân chia mã(CDMA) cho phếp tin nhắn từ vệ tinh cá nhân dể phân biết với dựa mã cho vệ tinh.Các lịch thiên văn cập nhật thường xuyên 2h thường có giá trị 4h,với quy định cập nhật 6h lâu điều kiện không đáng kể,niên giám thường cập nhật 24h Tần số truyền sóng Băng L1 L2 L3 L4 L5 Tần số 1575,42 MHz 1227,60 MHz 1381,05 MHz 1379.913 MHz 1176,45 MHz Tổng quan về tần số GPS Mơ tả Sử dụng trong mục đích dân sự và qn sự Mã với mục đích qn sự Được sử dụng để phát hiện những vụ nổ hạt nhân  Đang được nghiên cứu và bổ sung Đang được thực hiện , và mục đích vào việc an tồn hàng  khơng Hình 4.3.4: Bảng tần số tín hiệu vệ tinh 13 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Tất cả  các vệ  tinh phát sóng tại cùng một tần số, 1,57542 GHz (L1 tín hiệu) và 1,2276  GHz (L2 tín hiệu). Các mạng vệ  tinh sử  dụng một trải phổ CDMA kỹ thuật thơng điệp dữ  liệu được mã hóa với tốc độ cao giải ngẫu nhiên( PRN) liên tục. Người nhận phải nhận thức   được các mã PRN của mỗi vệ tinh để tái tạo lại thơng điệp dữ liệu thực tế  Các mã C/A, sử  dụng cho mục đích dân sự, truyền dữ liệu ở 1.023.000 xung nhịp mỗi giây, trong khi các mã P,  để sử dụng qn đội Hoa Kỳ, truyền tại 10.230.000  xung nhịp mỗi giây. Tần số vận chuyển  L1 được điều chế  bởi cả  hai  mãC /A và mã P, tần số  vận chuyển L2 chỉ  chế  bằng các mã  P.  Mã P có thể được mã hóa như bằng phương thức gọi là P (Y) để sao cho chỉ có sẵn thiết bị  qn sự mới có thể giải mã được với một khóa thích hợp.  Các tín hiệu L3 ở một tần số của 1,38105 GHz được sử dụng bởi Cục Hạt Nhân Hoa Kỳ  (NUDET) Hệ  thống phát hiện (USNDS) để  phát hiện, xác định vị  trí, và báo cáo vụ  nổ  hạt  nhân (NUDETs) trong đất bầu khơng khí tại khơng gian gần.  Một mục đích sử  dụng là việc  thực thi hiệp ước cấm thử hạt nhân Tần số L4 tại 1,379913 GHz đang được nghiên cứu để sửa bổ sung Tần số L5 1,17645 GHZ đã được bổ sung trong q trình hiện đại hố GPS . tần số này rơi  vào phạm vi bảo vệ hàng khơng quốc tế để điều hướng, Các nguồn sai số kết đo  Sai số đồng hồ Đây sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu không đồng chúng Đồng hồ vệ tinh trạm điều khiển mặt đất theo dõi phát có sai lệch trạm phát tín hiệu thị thơng báo số cải cho máy thu GPS biết để sử lý Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ vệ tinh máy thu, người ta sử dụng hiệu trị đo vệ tinh trạm quan sát  Sai số quĩ đạo vệ tinh Chuyển động vệ tinh quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng trọng trường trái đất, ảnh hưởng sức hút mặt trăng, mặt trời thiên thể khác, sức cản khí quyển, áp lực xạ mặt trời, Vị trí tức thời vệ tinh xác định theo mơ hình chuyển động xây dựng sở số liệu quan sát từ trạm có độ xác cao mặt đất thuộc phần điều khiển hệ thống GPS đương nhiên có chứa sai số Có hai loại ephemerit xác định từ kết hậu sử lý số liệu quan sát cho thời điểm nằm khoảng thời gian quan sát ephemerit ngoại suy từ ephemerit nêu cho máy ngày tiếp theo, loại 14 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu ephemerit thứ có độ xác mức 10 - 50 m, cung cấp Chính phủ Mỹ cho phép, loại thứ mức 20 -100 m cho phép khách hàng sử dụng Sai số vị trí vệ tinh ảnh hưởng gần trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ điểm quan trắc đơn riêng biệt, lại loại trừ đáng kể kết định vị tương đối hai điểm  Sai số tầng điện ly tầng đối lưu Được phát từ vệ tinh độ cao 20 200 km xuống tới máy thu mặt đất, tín hiệu vơ tuyến phải xun qua tầng điện ly tầng đối lưu Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự tầng điện ly tỉ lệ nghịch với bình phương tần số tín hiệu Ảnh hưởng tầng điện ly loại trừ đáng kể cách sử dụng hai tần số tải khác Chính thế, để đảm bảo định vị với độ xác cao người ta sử dụng máy thu GPS tần số Xong điểm quan sát gần ảnh hưởng nhiễu xạ tần số kết hợp lớn so với tần số nên sử dụng máy thu tần số cho trường hợp định vị khoảng cách ngắn Ảnh hưởng tầng điện ly vào ban đêm nhỏ tới 5-6 lần so với ban ngày Ảnh hưởng tầng đối lưu mơ hình hóa theo yếu tố khí tượng nhiệt độ, áp suất độ ẩm Nó xem gần hai điểm quan sát cách không vài chục km loại trừ đáng kể hiệu trị đo hai điểm quan sát Để làm giảm ảnh hưởng tầng điện ly tầng đối lưu người ta quy định quan sát vệ tinh độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời  Sai số nhiễu tín hiệu: Ăng ten máy thu khơng thu tín hiệu thẳng từ vệ tinh tới mà nhận tín hiệu phản xạ từ mặt đất môi trường xung quanh Sai số tượng gây gọi sai số nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo máy thu ăng ten Tổng hợp ảnh hưởng nguồn sai số chủ yếu nêu với nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát phụ khác có sai số 13 m với xác suất 95% Nếu xét đến ảnh hưởng chế độ C\A sai số 50 m Song giá trị sai số khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát, sai số thân vị trí điểm quan sát Do vị trí điểm quan sát xác định phép giao hội khoảng cách từ vệ tinh nên độ xác phụ thuộc vào góc giao hội, tức phụ thuộc vào đồ hình 15 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu phân bố vệ tinh so với điểm quan sát để có sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với hệ số lớn Hệ số đặc trưng cho đồ hình giao hội gọi hệ số phân tán độ xác (Dilution of Precision - DOP) Rõ ràng DOP nhỏ vị trí điểm quan sát xác định xác Hệ số DOP tổng hợp hệ số phân tán độ xác hình học - GDOP, đặc trưng cho ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z yếu tố thời gian t Hệ số GDOP từ - coi tốt Nâng cao độ xác đo tính thơng tin qua biện pháp hạn chế sai số đo Trong cơng nghệ GPS có số nguồn sai số chủ yếu biện pháp khắc phục áp dụng sau:  Sai số quỹ đạo vệ tinh: Đây nguồn sai số lớn tác động chủ yếu vào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange Vì vậy, thông thường toạ độ tuyệt đối hệ WGS-84 quốc tế xác định với độ xác khoảng từ 10 m tới100 m Toạ độ có vai trò quan trọng việc tính toán gia số toạ độ ∆ X, ∆ Y, ∆ Z base line Nếu độ xác toạ độ tuyệt đối đầu base line tăng từ 100m tới 2m độ xác ∆ X, ∆ Y, ∆ Z tăng thêm dm Chính người ta cần có toạ độ gần hệ WGS-84 tới cỡ m để có base line có độ xác cao Để khắc phục sai số người ta sử dụng biện pháp sau: Có lịch vệ tinh xác thời điểm đo: Lịch vệ tinh xác có u cầu NASA IGS cung cấp, cách không tiện dùng phải chờ đợi thời gian khơng ngắn Quan trắc liên tục 24 giờ: tức vòng quỹ đạo 32 vệ tính hiệu chỉnh lịch vệ tinh thông qua phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ xác đạt tới m Độ xác thử nghiệm Việt nam so sánh kết đo toạ độ tuyệt kết lan truyền toạ độ theo base line từ điểm gốc toạ độ tuyệt đối với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế 16 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Sử dụng hệ thống DGPS tồn cầu OMNI STAR cung cấp theo cơng nghệ RTCM với số hiệu chỉnh toạ độ cung cấp từ hệ thống trạm định vị cố định tồn cầu Cơng nghệ thử nghiệm Việt nam cho độ xác đạt tới m lý thuyết dự báo  Sai số mơi trường truyền sóng Mơi trường chuyền sóng gây nên loại sai số chủ yếu q trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu: Sai số tầng Ion gây ra: sai số tượng khúc xạ tia sóng từ khoảng không vũ trụ vào tầng khí Sai số khơng gây ảnh hưởng lớn tới kết đo khoảng cách ngắn mà có ý nghĩa khoảng cách dài Để khắc phục người ta sử dụng tần số thứ hai đo đạc khoảng cách dài Sai số tầng đối lưu gây ra: tượng khúc xạ tia sóng lớp khí gần mặt đất Sai số có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn mà không đáng kể khoảng cách dài Trước người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệu chỉnh Đến phần mềm sử dụng số hiệu chỉnh theo mơ hình tầng đối lưu tạo độ xác cao sử dụng số hiệu chỉnh nhiệt độ, áp suất, độ ẩm Sai số nhiễu tín hiệu mơi trường: sai số có nguồn gây ra: nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây đài truyền hình hai sóng GPS phản xạ từ vật thể đặt quanh antenna Để khắc phục sai số người ta cải tiến antenna có độ nhậy cao hơn, có khả chống nhiễu đặt thêm lọc phần mềm (cả firmware software)  Sai số đồng hồ máy thu: Độ xác đồng hồ đồng thời gian đồng hồ vệ tinh đồng hồ máy thu có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao độ xác kết đo GPS Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu việc làm được, ví dụ lắp đặt đồng hồ nguyên tử vệ tinh, không chấp nhận giá thành máy thu Người ta cải tiến đồng hồ thạch anh máy thu để có khả ổn định giai đoạn đồng với đồng hồ vệ tinh 17 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Đến nguồn sai số nói khắc phục đáng kể, tạo base line có độ xác cao nhiều so với giai đoạn 1990 Các trị đo GPS cạnh dài nâng độ xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 đạt  Nâng cao độ xác tính tốn nhờ thuật tốn mới: Phương pháp xử lý số liệu góp phần quan trọng việc loại trừ sai số đo Người ta tập trung vào giải pháp sau đây: Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu trị đo có để loại trừ sai số, có hiệu bậc hiệu trị đo thời điểm thu tín hiệu vệ tinh, hiệu bậc hai hiệu trị đo vệ tinh hiệu bậc hiệu trị đo điểm mặt đất Sử dụng hiệu bậc để có lời giải base line chứa sai số đo q trình đạt nhiều tiến theo thời gian Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đưa phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý base line giai đoạn 1990 - 1994, đến 1995 họ thay phần mềm Wave Processor có hiệu cao nhiều Vấn đề lọc nhiễu kỹ thuật phức tạp xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta đưa lọc hoàn chỉnh để cho trị đo nhiễu ngẫu nhiên Trong phần mềm GPSurvey hãng TRIMBLE đưa vào nhiều lọc tạo hiệu đáng kể xử lý base line  Nâng cao khả công nghệ GPS: Trong việc thành lập lưới trắc địa quan tâm tới phương pháp đo tĩnh Như giới thiệu, phương pháp cho độ xác GPS cao tới 10 lần cho đo tương đối 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ xác đạt khoảng năm trước Ngồi cơng nghệ GPS phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác để áp dụng cho nhiêù mục tiêu khác như: • RTK cho đo động với thời gian thực trạm tĩnh trạm động đạt độ xác tới cm cho mục tiêu lập đồ tỷ lệ lớn; • RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ gửi từ trạm tĩnh tới trạm động đạt độ xác cỡ m cho mục tiêu lập đồ tỷ lệ trung bình; • MSK cho đo động tương tự RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ xác cỡ m; 18 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ xác cỡ dm Chương 5: ỨNG DỤNG GPS   Ứng dụng GPS lĩnh vực quân : hoạch định đường cho loại tên lửa bom thông minh hay máy bay, kiểm soát hành động qua vệ tinh… Một số ứng dụng cụ thể : +Tên lửa hành trình : Hình 7.1.1: Tên lửa hành trình + Máy bay huấn luyện Mikoyan MiG-AT Nga: Hình 7.1.2: Máy bay huấn luyện + Bom thông minh JDAM: Hình 7.1.3: Bom thơng minh 19 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Ứng dụng GPS lĩnh vực dân : GPS ứng dụng phổ biến nhiều lĩnh vực Trong lĩnh vực Giáo dục: Các chương trình thiết kế đồ GIS Giáo dục giới thiệu mộ cách đơn giản đa dạng, tạo điều kiện thuận lợi cho tổ chức giáo dục thực giảng dậy Ứng dụng lĩnh vực Dầu Khí đốt: Ngày cơng ty Dầu khí ln bị đặt áp lực lớn nhất, tuân thủ phù phợ với yêu cầu quy định quốc tế cơng ty ln phải có số liệu cụ thể hệ thống hạ tầng, cơng nghệ định vị giúp họ thu thập số liệu cách đơn giản Trong quan phủ: tạo điều kiện cho quan hoạt động cách tốt với nhiệm vụ giao Là cơng cụ hữu ích giao thông đường Thủy đường Không Và số ứng dụng khác sống ngày như: Hướng dẫn đường khắp giới Quản lý hệ thống ô tô: với loại xe xe taxi, xe tải, xe bus, xe khách, xe tự lái… với tính • Giám sát lộ trình đường theo thời gian thực • Xác định vị trí xe xác,vận tốc,lộ trình xe • Lưu trữ lộ trình xe theo thời gian vận tốc • Chứ chống trộm + Xác định vị trí tốc độ + Khảo sát trắc địa, môi trường số ngành khoa học khác + GPS sử dụng phổ biên thiết bị điện thoại di động Cụ thể hơn: (Sưu tầm) a Ứng dụng GPS Cơ quan phủ Ngay từ ngày phát triển cơng nghệ GPS, phủ dẫn đầu việc khai thác sử dụng Từ cấp trung ương đến địa phương, từ đô thị tới nông thôn, GPS GIS tạo điều kiện thực thuận lợi giúp quan công quyền hồn thành tốt nhiệm vụ giao 20 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Có thể bạn người phận thành lập đồ tổ chức phủ chuyên trách phòng cháy chữa cháy, hay bạn thành viên lâm nghiệp chuyên quản lý rừng khu bảo tồn thiên nhiên rộng hàng nghìn héc ta, chúng tơi ln có giải pháp tốt dành cho bạn Những công nghệ thu thập số liệu Bản đồ GPS/GIS Trimble làm cho công việc quan phủ trở nên đơn giản nhiều mà không phụ thuộc vào kiểu, khối lượng số liệu thu thập, lưu trữ, xử lý phân tích cho dù lượng số liệu không gian lớn Các sản phẩm Bản đồ GIS Trimble đảm bảo cung cấp giải pháp hoàn chỉnh cho quan thành phố, đơn vị quân sự, cục bảo vệ tài nguyên thiên nhiên quan phủ có nhu cầu quản lý số liệu nhằm mục đích hỗ trợ việc định nhanh xác Nếu bạn nhân viên cơng quyền phủ, không cần phải lo lắng, Trimble có giải pháp cơng nghệ GPS GIS dễ sử dụng, giá thành hợp lý dành riêng cho bạn b Ứng dụng GPS lĩnh vực Dầu & Khí đốt Ngày nay, cơng ty dầu khí ln bị đặt áp lực lớn nhất, tuân thủ phù hợp với yêu cầu quy định quốc tế cơng ty ln phải trì số liệu cụ thể hệ thống hạ tầng ống dẫn vô phức tạp họ Hơn hết, công ty dầu khí đốt ln cơng ty đầu việc ứng dụng công nghệ GPS GIS việc thành lập đồ, thu thập giám sát phân tích số liệu thực địa Các giải pháp cơng nghệ khơng gian làm đơn giản tất từ việc thành lập đồ tài sản cố định hệ thống đường ống đầu nối đường ống đến việc sử dụng chúng cho tu bảo dưỡng, để mở rộng hay triển khai chương trình khắc phục có cố xảy Các giải pháp Trimble có độ xác tới vài đềximét thực công cụ đắt giá hiệu công ty dầu khí muốn xây dựng đồ hay xác định vị trí tài sản ngầm 21 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Hầu hết cơng ty dầu khí tồn giới lựa chọn sử dụng công nghệ giải pháp GPS GIS tiên tiến Trimble để phục vụ cho việc đơn giản hoá bước xử lý q trình thu thập, lưu trữ phân tích dạng số liệu thực địa quan trọng Với số liệu phân bố không gian tài sản cố định xác, cho phép cơng ty dầu khí hoạt động hiệu hơn, quản lý đơn giản hơn, giảm chi phí tăng lợi nhuận 22 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu c Ứng dụng GPS lĩnh vực Giáo dục Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GIS Educator) giới thiệu giải pháp đơn giản đa dạng, tạo điều kiện thuận lợi cho tổ chức giáo dục, thực việc giảng dạy công nghệ GPS GIS cho học viên dựa cơng nghệ Trimble Chương trình hỗ trợ giáo dục thiết kế với mục đích phục vụ cho tổ chức giáo dục đào tạo Bằng cách cân đối nhu cầu GPS/GIS tổ chức hưởng nhiều quyền lợi chương trình, hội lựa chọn thiết bị phần cứng phần mềm với giá ưu đãi đặc biệt nhằm tiết kiệm cho nguồn kinh phí đầu tư Đặc điểm Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục: • Lựa chọn quyền sử dụng phần mềm cho từ đến 100 học viên • Nhiều giải pháp giảm giá thiết bị phần cứng • Bộ thiết bị cầm tay Juno™ ST cho lớp học • Dịch vụ hỗ trợ nhằm đảm bảo phần mềm ln cập nhật • Đào tạo cấp chứng chuyên nghiệp theo hệ thống Trimble d Ứng dụng GPS lĩnh vực Tài nguyên thiên nhiên 23 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Thế giới sống không ngừng thay đổi Bảo vệ mơi trường giữ gìn nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày trở thành vấn đề quan trọng hết Đây lý nhiều quan tổ chức cá nhân toàn giới lựa chọn sử dụng công nghệ GPS GIS tiên tiến Trimble hàng ngày, để quản lý cách có hiệu nguồn tài nguyên thiên nhiên có Hơn 25 năm qua, cơng nghệ GPS GIS cho phép người quản lý cách có hiệu hơn, chi tiết cụ thể nguồn tài nguyên thiên nhiên mà người sở hữu Từ việc quản lý bền vững hệ thống rừng đến hoạt động tìm kiếm thăm dò khai thác mỏ, giải pháp GPS GIS Trimble làm cho hoạt động quản lý trở nên dễ dàng hơn, giúp nhà quản lý tài nguyên thiên nhiên tất công đoạn từ thu thập, lưu trữ, xử lý phân tích ứng dụng khối liệu không gian lớn Các lĩnh vực mà cơng nghệ GPS GIS có ảnh hưởng mạnh mẽ phải kể đến quản lý môi trường, quản lý rừng, quy hoạch phát triển nông nghiệp, điều tra khai thác mỏ Mỗi ngày, công nghệ GIS lại hỗ trợ đắc lực cho người việc giải vấn đề phức tạp bảo tồn động vật hoang dã, quản lý suất nơng nghiệp, kiểm sốt chất lượng nguồn nước khơng khí, dịch bệnh di chuyển phát triển thảm hoạ tiềm tàng Không phụ thuộc vào lĩnh vực môi trường mà bạn nghiên cứu hay khu vực phân bố chúng, giải pháp Trimble đảm bảo giá trị gia tăng cho bạn thông qua thiết bị đơn giản sử dụng, hiệu quả, giá thành hợp lý phương thức ứng dụng giữ cho số liệu GIS bạn ln cập nhật có độ xác cao e Ứng dụng GPS thu thập GIS di động GIS Di động việc sử dụng số liệu địa lý thực địa thiết bị di động Đây thực bước thay đổi lớn việc làm để sở liệu địa lý sử dụng quản lý cách hiệu quan hay tổ chức GIS Di động kết 24 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu hợp hài hoà ba hợp phần bản: Hệ thống định vị vệ tinh GPS, máy tính cầm tay loại chắn, phần mềm GIS Kết hợp tất công nghệ tạo điều kiện cho người làm việc ngồi thực địa truy cập trực tiếp vào sở liệu tổ chức đâu có nhu cầu khai thác Khi người lính cứu hoả nhân viên cứu trợ khẩn cấp kiểm soát ảnh hưởng từ thảm hoạ thiên nhiên họ cần đến thông tin trạng xác để đưa chững định quan trọng có liên quan đến mạng sống người hay nguồn tài ngun Đó lý mà việc ứng dụng GIS Di động ngày trở nên cấp bách; nhóm làm việc thực địa trang bị công nghệ GIS Di động ứng phó điều kiện trường thay đổi đưa định hợp lý, thay đổi chiến thuật quản lý điều khiển trường, thơng báo tình trạng cho tất thành viên nhóm làm việc khác – tất thông tin số liệu đảm bảo cập nhật tới phút Với lợi vượt trội công nghệ GIS Di động, nhân viên tìm kiếm cứu nạn, điều tra viên, nhóm tu bảo dưỡng thiết bị, đội kiểm tra đảm bảo hoạt động trang thiết bị hạ tầng đô thị, nhiều nhóm ngành ứng dụng thực địa khác có khả truy cập vào sở liệu chế độ thời gian thực để đảm bảo thực thi nhiệm vụ giao cách hiệu quả, an toàn tin cậy nhất, thực địa f Ứng dụng GPS thu thập GIS độ xác cao Trong bước thu thập số liệu dự án, tối đa kết làm việc thực địa tối thiểu lỗi số liệu yêu cầu hàng đầu nhà quản lý, đặc biệt dự án mà số liệu có ảnh hưởng trực tiếp tới dịch vụ gia tăng mà số đông người khai thác phụ thuộc vào 25 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị toàn cầu Rất nhiều định xây dựng mơ hình mạng cấp nước, hệ thống đường ống ngầm, thành lập đồ công sản khu vực thị có mật độ dân cư đơng đúc phụ thuộc vào độ xác cao thiết bị định vị cung cấp số liệu vị trí thành lập Bản đồ GIS Bởi hệ thống phức tạp xây dựng sở thơng tin vị trí xác nên định đưa ln có độ chắn tính tin cậy cao Trimble cung cấp hàng loạt giải pháp GPS có độ xác cao để đảm bảo người sử dụng hồn tồn tin tưởng vào kết mà thiết bị cung cấp Kết luận:  Với phát triển lớn mạnh Khoa học kỹ thuật công nghệ GPS khơng xa lạ với người, trở thành cơng cụ hữu ích cho tự động hóa từ giúp nâng cao chất lượng sống Với tương lai không xa, GPS kỳ vọng công nghệ giúp bảo vệ hòa bình trái đất 26 Nhóm 10: Báo cáo hệ thống định vị tồn cầu Mục lục 27 ... ẩm Nó xem gần hai điểm quan sát cách không vài chục km loại trừ đáng kể hiệu trị đo hai điểm quan sát Để làm giảm ảnh hưởng tầng điện ly tầng đối lưu người ta quy định quan sát vệ tinh độ cao... điểm quan sát phụ khác có sai số 13 m với xác suất 95% Nếu xét đến ảnh hưởng chế độ CA sai số 50 m Song giá trị sai số khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát, sai số thân vị trí điểm quan. .. chung quanh Trái Đất Mỗi vệ tinh nặng khoảng tấn,sử dụng lượng Mặt Trời,chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km Các vệ tinh chuyển động vơí vận tốc 7000 dặm/h Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái