Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS trên ôtô

Với một bộ thu GPS kết nối với một antenna GPS, người sử dụng có thể thu ñược tín hiệu GPS, tín hiệu này sau ñó ñược sử dụng ñể xác ñinh vị trí của anh ấy hoặc cô ấy dù ñang sống ở bất c

TRƯỜNG ðẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA CƠ KHÍ ðỘNG LỰC

BỘ MƠN ðỘNG CƠ

Đề tài:Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS TRÊN ÔTÔ

GVHD : ThS NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 07-2010

PHẦN A

GIỚI THIỆU

TRƯỜNG ðH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NHIỆM VỤ ðỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Phạm Văn Hoà MSSV: 06205012

Lê Trung Nguyên MSSV: 06205028

Chuyên ngành: Cơ khí ôtô Mã ngành: 05

Hệ ñào tạo: ðại học chính quy (K3/7) Mã hệ: 2

I TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ðỊNH VỊ TOÀN

CẦU GPS TRÊN ÔTÔ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Giới thiệu tổng quan về GPS

2 Tìm hiểu và nghiên cứu công nghệ GPS

3 Tìm hiểu bản ñồ số Google Map

nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS hiện thị trên bản ñồ số Google Map

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/07/2010

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Văn Trạng

ThS Nguyễn Văn Trạng

LỜI NÓI ðẦU

Có thể nói hầu hết ô tô tại các nước trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay ñều ứng dụng những công nghệ mới ñể tăng tính tiện nghi cho ô tô

Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị ñiện tử ñang và

sẽ tiếp tục ñược ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như ñời sống xã hội

Công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS (Global Positioning Systems) là một ví dụ

ñiển hình Trước ñây, GPS chỉ ñược sử dụng trong lĩnh vực quân sự do Bộ quốc phòng Mỹ phát triển và ñược Không lực Mỹ quản lý

Từ năm 1993 trở lại ñây GPS ñược sử dụng cho mục ñích công cộng như lập bản ñồ, khảo sát vùng ñất và nghiên cứu khoa học Khả năng tham chiếu chính xác thời gian của GPS cũng ñược sử dụng ñể nghiên cứu các vụ ñộng ñất

Ngày nay, GPS còn kết hợp với nhiều mạng di ñộng tại nhiều quốc gia ñể phục vụ vào ñời sống của con người Một ứng dụng phổ biến, quan trọng nhất là dùng trong lĩnh vực giao thông, với hệ thống GPS nó sẽ cho biết chính xác vị trí xe của bạn ở ñâu, chỗ nào có tắc nghẽn giao thông ñể bạn tránh không ñi qua Vì những lý do trên mà công nghệ GPS ngày càng ñược sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới nói chung trong ñó có Việt Nam nói riêng

ðề tài “Nghiên cứu và ứng dụng hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS trên ô tô”phân tích những nội dung cơ bản về công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS, khả năng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực bằng cách hiển thị thông tin thu thập ñược

từ GPS lên bản ñồ số Google Map Nội dung ñề tài bao gồm 3 phần chính:

∗ Phần A: Giới thiệu

∗ Phần B: Nội dung (Gồm 5 Chương)

+ Chương I : Dẫn nhập

+ Chương II : Công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS

+ Chương III : Cấu trúc và nguyên tắc ñịnh vị của GPS

+ Chương IV : GOOGLE MAP

+ Chương V : Ứng dụng công nghệ GPS trong quản lí và giám sát ôtô

∗ Phần C: Kết luận và hướng phát triển ñề tài

− Mặc dù nhóm thực hiện ñề tài ñã có rất nhiều cố gắng, nhưng do hạn chế về kiến thức và thời gian nên chắc chắn không tránh khỏi sự sai sót Rất mong nhận ñược những ý kiến ñóng góp của quý thầy cô cùng các bạn sinh viên

L LỜI CẢM ỜI CẢM ỜI CẢM ƠN ƠN ƠN! !! !

  

Nhóm thực hiện ñề tài xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn

Văn Trạng ñã tận tình hướng dẫn cũng như hỗ trợ phương tiện

trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu ñề tài ðồng thời cũng xin

cảm ơn các thầy cô trong Cơ Khí ðộng Lực ñã tạo ñiều kiện,

cung cấp những kiến thức cơ bản, cần thiết trước khi có ñủ khả

năng tìm hiểu những kiến thức sâu hơn trong lĩnh vực nghiên cứu

của mình

Nhóm thực hiện ñề tài cũng xin cám ơn các thành viên trong

lớp 062050 ñã có những ý kiến ñóng góp, bổ sung, giúp nội dung

ñề tài thêm hoàn thiện Cám ơn tất cả các ý kiến và những người

thân ñã ñộng viên, cỗ vũ tinh thần trong quá trình nghiên cứu

Ngoài ra, nhóm cũng nhận ñược sự chỉ bảo của các anh (chị) ñi

trước Những người ñã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo

trong việc nghiên cứu về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS (global

positioning system) trên ô tô

Trân trọng !

Nhóm thực hiện ñồ án

Lê Trung Nguyên

Phạm Văn Hoà

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp HCM, ngày tháng 07 năm 2010

Giáo viên hướng dẫn

ThS Nguyễn Văn Trạng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Tp HCM, ngày tháng 07 năm 2010

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

Trang

PHẦN A GIỚI THIỆU 1

NHIỆM VỤ ðỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2

LỜI NÓI ðẦU 3

LỜI CẢM ƠN 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 5

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 6

PHẦN B NỘI DUNG 10

CHƯƠNG I DẪN NHẬP 11

1.1 LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI 12

1.2 MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU 12

1.3 ðỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 12

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI 12

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 13

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ ðỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS (Global Postioning System) 14

2.1 GIỚI THIỆU VỀ GPS 15

2.1.1 Tổng quan về GPS (Global Postioning System) 15

2.1.2 Những phân ñoạn GPS 15

2.1.3 Những thế hệ vệ tinh GPS 17

2.1.4 Chòm sao GPS hiện hành 18

2.1.5 Những vị trí ñiều khiển (control sites) 19

2.1.6 GPS - một vài khái niệm cơ bản 21

2.1.7 Dịch vụ ñịnh vị GPS 22

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ðỘNG CƠ BẢN CỦA GPS 23

2.2.1 Hoạt ñộng cơ bản 23

2.2.2 Hoạt ñộng của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau 23

2.3 ðỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS 23

2.4 TÍN HIỆU GPS 24

2.5 CHI TIẾT VỀ GPS 24

2.5.1 Cấu trúc tín hiệu GPS 25

2.5.2 Hiện ñại hóa GPS 28

2.5.3 Những dạng bộ thu GPS 29

2.5.4 Những hệ thống thời gian 30

2.5.5 ðo ñạc tầm giả 31

2.5.7 Trượt chu kỳ (cycle slip) 33

2.5.8 Kết hợp tuyến tính những sự quan sát GPS 34

2.5.9 Những dạng lỗi của GPS 36

CHƯƠNG III CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN TẮC ðỊNH VỊ CỦA GPS 44

3.1 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG 45

3.1.1 Bộ phận không gian 45

3.1.2 Bộ phận ñiều khiển 47

3.1.3 Bộ phận sử dụng 49

3.2 NGUYÊN TẮC ðỊNH VỊ 50

3.3 DỮ LIỆU DO THIẾT BỊ THU GPS KẾT XUẤT 52

3.3.1 Các thiết bị thu tín hiệu GPS 52

3.3.2 Tín hiệu thu do GPS kết xuất 53

3.4 TÍN HIỆU ðO GPS VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðO TÍN HIỆU GPS 55

3.4.1 Tín hiệu GPS 55

3.4.2 Các phương pháp ño tín hiệu GPS 56

3.4.3 Các phương pháp ño GPS : 57

3.4.4 Các phương pháp ñịnh vị 58

CHƯƠNG IV GOOGLE MAP 62

4.1 Giới thiệu về GIS 63

4.2 Giới thiệu về GOOGLE MAP 64

CHƯƠNG V ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG QUẢN LÍ VÀ GIÁM SÁT ÔTÔ 66

5.1 CÔNG DỤNG THỰC TẾ TRÊN XE ÔTÔ 67

5.1.1 Công dụng và những lợi ích của thiết bị mang lại cho người dùng 67

5.1.2 Công nghệ kỹ thuật ứng dụng trên hệ thống 67

5.1.3 Các tính năng tiện ích khác của hệ thống ñịnh vị Vietmap tại Việt Nam68

5.1.4 Quy trình vận hành của hệ thống 70

5.1.5 Mô phỏng lộ trình ñường ñi 72

5.2 THÔNG TIN THỊ TRƯỜNG THIẾT BỊ GPS TẠI VIỆT NAM 72

5.3 NHỮNG TRƯỜNG HỢP BỊ LỖI DO VỆ TINH & DO THIẾT BỊ THU, ðỊA HÌNH GÂY RA – NGUYÊN NHÂN & CÁCH KHẮC PHỤC 73

5.3.1 Lỗi của thiết bị thu nhận tín hiệu 73

5.3.2 Lỗi tín hiệu phát ra từ vệ tinh 75

5.4 ỨNG DỤNG CỦA GPS TRÊN Ô TÔ TẠI VIỆT NAM 79

5.4.1 Ứng dụng công nghệ GPS trong quản lí xe bưu chính 79

5.4.2 Xây dựng phương án ứng dụng GPS trong bài toán quản lí xe bưu chính 80

5.5 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRÊN Ô TÔ Ở MỘT SỐ NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 84

5.6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS CƠ BẢN XÁC ðỊNH TỌA ðỘ 88

5.6.1 Tổng quan về hệ thống 88

5.6.2 Phần cứng 88

5.6.3 Phần mềm: hệ thống sử dụng phần mềm C# 90

5.6.5 Nguyên lý làm việc của hệ thống 91

5.7 MỘT SỐ HẠN CHẾ CỦA CÔNG NGHỆ GPS 93

5.7.1 Hiểm họa từ thiết bị gây nhiễu GPS 93

5.7.2 GPS dẫn ñường sai gây tai nạn 94

5.7.3 GPS gây mất tập trung cho người lái xe 95

PHẦN C KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI 96

1 Kết luận 97

2 Hướng phát triển của ñề tài 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO 98

PHẦN B

NỘI DUNG

CHƯƠNG I

DẪN NHẬP

1.1 LÝ DO CHỌN ðỀ TÀI

Trong những năm gần ñây, với sự phát triển mạnh của công nghệ và khoa học

kỹ thuật, ñặc biệt là trong lĩnh vực ñiện tử và viễn thông Công nghệ ñịnh vị toàn

cầu GPS (Global Positioning Systems) là một lĩnh vực mới Trên thế giới nhiều

quốc gia ñã và ñang ứng dụng công nghệ GPS này vào lĩnh vực dân sự ñể phục vụ nhu cầu của người dân

Ở Việt Nam, công nghệ GPS vẫn chưa phổ biến ñối với ñại ña số người dân bởi chi phí sử dụng khá cao, công nghệ khá mới mẽ

Nhận thấy ñược tầm quan trọng của công nghệ GPS, với kiến thức học ñược trong bốn năm học ñại học cùng với sự chỉ bảo từ các thầy cô, bạn bè Nhóm quyết ñịnh nghiên cứu công nghệ ñịnh vị toàn cầu GPS từ những linh kiện ñiện tử phổ biến trên thị trường Qua ñó, giúp mọi người có cái nhìn tổng quan về công nghệ GPS, giảm chi phí cho những người ñam mê nó ñể họ phát triển theo những hướng riêng của mình

Với những lý do ñó mà nhóm thực hiện ñồ án ñã chọn ñề tài: “ NGHIÊN CỨU

VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ðỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS TRÊN ÔTÔ ”

1.2 MỤC ðÍCH NGHIÊN CỨU

ðề tài ñược thực hiện với mục ñích sau:

 Giới thiệu tổng quan về GPS

ðối tượng nghiên cứu : công nghệ GPS, cấu trúc hệ thống GPS, nguyên lí hoạt

ñộng của GPS, ứng dụng GPS trong quản lí và giám sát xe, hạn chế khi sử dụng GPS

Phạm vi nghiên cứu của ñề tài:

Nghiên cứu công nghệ GPS trong quản lý xe và thiết kế hệ thống ứng dụng từ ñơn giản ñến phức tạp với bản ñồ số Google Map

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ðỀ TÀI

ðề tài bao gồm nhiều phần nghiên cứu từ lý thuyết ñến thực hành, từ dễ ñến khó sẽ dẫn dắt người ñọc tìm hiểu về công nghệ, khả năng ứng dụng của GPS và thiết kế hệ thống dễ dàng hơn với những linh kiện ñiện tử cơ bản trên thị trường Vì

vậy nhóm thực hiện ñề tài hy vọng quyển ñồ án này sẽ là nguồn tài liệu tham khảo

lý thuyết và thực hành trong việc tìm hiểu về công nghệ GPS

1.5 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

o Hiện nay tại Việt Nam có một số công ty chuyên cung cấp thiết bị ñịnh vị cầm tay tích hợp sẵn công nghệ GPS nhưng những sản phẩm này ñòi hỏi chi phí khá cao cho việc lựa chọn mua thiết bị cũng như phí dịch vụ hàng năm phải trả cho công ty từ phía khách hàng

o Hiện nay trên các diễn ñàn ñiện tử rất sôi ñộng thảo luận về công nghệ GPS Thông qua các diễn ñàn này nhóm thực hiện ñề tài nhận thấy có rất nhiều thành viên ñã thiết kế ñược nhiều hệ thống ứng dụng công nghệ mới này

o Với những cơ sở dữ liệu và kiến thức tích luỹ ñược nhóm thực hiện

ñồ án tìm hiểu nghiên cứu và phát triển hệ thống nhằm hiện thực hoá khả năng ứng dụng của công nghệ GPS trên ô tô với ñiều kiện tại Việt Nam

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Do ñây là một ñề tài khá mới mẽ nên trong thời gian thực hiện ñồ án nhóm ñã gặp rất nhiều khó khăn về nguồn tài liệu

Nhóm thực hiện ñề tài sử dụng hai phương pháp chủ yếu:

o Phương pháp tham khảo tài liệu: Nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh ñược tìm kiếm trên mạng Internet

o Phương pháp thực hành: Song song với việc ñọc tài liệu nhóm ñã thực hành trên mô hình dưới sự giúp ñỡ của Thầy hướng dẫn và các anh (chị) khoá trước ñể dễ dàng nắm bắt ñược lý thuyết

CHƯƠNG II

CÔNG NGHỆ ðỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

( Global Postioning System )

2.1 GIỚI THIỆU VỀ GPS

2.1.1 Tổng quan về GPS (Global Postioning System)

Thông thường GPS bao gồm một chòm sao 24 vệ tinh Chòm sao này ñược

hoàn thành vào tháng 7/1993, ñược xem như là năng lực hoạt ñộng ban ñầu (initial operational capability_IOC) Tuy nhiên, nó ñược công bố chính thức vào ngày 8

tháng 12 năm1993 ðể ñảm bảo hệ thống vệ tinh này bao phủ khắp toàn bộ trái ñất một cách liên tục, những vệ tinh này ñược sắp xếp sao cho mỗi 4 vệ tinh ñược ñặt trong mỗi 6 mặt phẳng quỹ ñạo Với sự bố trí này, khoảng từ 4 ñến 10 vệ tinh sẽ luôn hiện hữu tại bất cứ nơi nào trên thế giới, nếu góc ngẩng (elevation angle) là

100 ñộ Ta chỉ cần duy nhất 4 vệ tinh ñể cung cấp sự ñịnh vị

Quỹ ñạo vệ tinh GPS gần như là hình tròn (một hình elipse với tâm sai cực ñại khoảng 0.01), với ñộ nghiêng khoảng 500 ñộ so với xích ñạo Nữa trục lớn của quỹ ñạo GPS là khoảng 26.560 km (ñộ cao vệ tinh khoảng 20.200 km bên trên bề mặt trái ñất) Chu kỳ quỹ ñạo vệ tinh tương ứng khoảng 12 giờ thiên văn (sidereal hour : 23:56’:4.1”) Hệ thống GPS ñược tuyên bố chính thức ñạt ñược khả năng hoạt ñộng ñầy ñủ (full operational capability_FOC) vào ngày 17 tháng 7 năm 1995 ñảm bảo khả năng hoạt ñộng thực tế của tối thiểu 24 vệ tinh GPS, không dùng vào thí nghiệm Thực tế, khi GPS ñạt ñược FOC của nó, chòm sao vệ tinh thường lớn hơn 24 vệ tinh

Hình 2.1: Chòm sao GPS

S-band (10cm-radar short-band): 1.55 -5.2 Ghz

L-band (20cm-radar long-band): 950Mhz – 1450 Mhz

thơng điệp điều hướng kết hợp với sĩng mang bằng cách điều chế nhị phân biphase Sĩng mang và chuỗi dữ liệu số chủ yếu được sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu của nguời sử dụng đến những vệ tinh GPS Thơng điệp điều hướng bao gồm tọa độ của vệ tinh, tọa độ này biểu diễn dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian

và một số thơng tin cần thiết khác Tín hiệu phát được điều khiển bởi những đồng

hồ nguyên tử (atomic clocks) cĩ độ chính xác cao onboard trên những vệ tinh

Hình 2.2: Những phân đoạn GPS

Hình 2.3: Mã hĩa tín hiệu dùng phương pháp biphase

Phân đoạn điều khiển của hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới rộng khắp những trạm theo dõi (tracking station), với một trạm điều khiển chính (MCS-master control station) định vị ở Colorado Springs, Colorado, the United States Nhiệm vụ ban đầu của phân đoạn điều khiển là theo dõi dấu vết của những vệ tinh GPS để định vị và tiên đốn vị trí vệ tinh, tình trạng hệ thống, hoạt động của đồng hồ nguyên tử, dữ liệu khí quyển, niên giám vệ tinh (the satellite almanac), tín hiệu này chứa những thơng tin về vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và được lưu vào bộ nhớ của

máy thu, khi vệ tinh di chuyển thì các thông tin này cũng liên tục ñược cập nhật vào

máy thu cùng với qua các tín hiệu mà nó gửi ñi, và một số sự quan tâm khác Thông

tin sau ñó ñược ñóng gói và upload lên những vệ tinh GPS thông qua ñường link band

S-Phân ñoạn người sử dụng bao gồm dân thường và quân ñội Với một bộ thu GPS kết nối với một antenna GPS, người sử dụng có thể thu ñược tín hiệu GPS, tín hiệu này sau ñó ñược sử dụng ñể xác ñinh vị trí của anh ấy hoặc cô ấy dù ñang sống

ở bất cứ nơi nào trên thế giới Hiện tại, GPS sẵn dùng với tất cả người sử dụng ở khắp nơi trên thế giới với mức chi phí không trực tiếp (no direct charge)

2.1.3 Những thế hệ vệ tinh GPS

Hình 2.4: Những thế hệ vệ tinh GPS hiện hành

Ban ñầu, chòm sao vệ tinh GPS ñược xây dựng với một chuỗi 11 vệ tinh, gọi

là những vệ tinh Khối I Vệ tinh ñầu tiên trong chuỗi này (và trong hệ thống GPS) bắt ñầu hoạt ñộng vào ngày 22 tháng 2 năm 1978, vệ tinh cuối cùng bắt ñầu hoạt ñộng vào ngày 9 tháng 10 năm 1985 Những vệ tinh Khối I ñược xây dựng chủ yếu dùng vào thí nghiệm Góc nghiêng mặt phằng quỹ ñạo của những vệ tinh này so với ñường xích ñạo là 630 ñộ, sau ñó ñược sửa ñổi trong những thế hệ vệ tinh theo sau Mặc dù thời gian sống trong thiết kế của những vệ tinh Khối I là 4,5 năm, tuy nhiên một vài vệ tinh ñã duy trì trong dịch vụ nhiều hơn 10 năm Vệ tinh Khối I cuối cùng ñược rút ra khỏi hệ thống dịch vụ vào ngày 18 tháng 11 năm 1995

Thế hệ vệ tinh thứ hai gọi là những vệ tinh Khối II/IIA Khối IIA là một phiên bản cao hơn Khối II, với sự tăng lên trong khả năng lưu trữ dữ liệu thông ñiệp ñiều hướng từ 14 ngày ñối với Khối II ñến 180 ngày ñối với khối IIA ðiều này có nghĩa rằng những vệ tinh Khối II và Khối IIA có thể thực hiện chức năng một cách liên tục, mà không cần có sự hỗ trợ từ mặt ñất trong những khoảng thời gian từ 14 ñến 180 ngày, tương ứng lần lượt với hai hệ thống Tổng cộng 28 vệ tinh Khối II/IIA ñược thi hành trong khoảng thời gian từ tháng 2 năm 1989 ñến tháng 11 năm

1997 Trong số những vệ tinh này, có 23 vệ tinh vẫn còn ñang trong dịch vụ Không giống như vệ tinh Khối I, mặt phẳng quỹ ñạo của những vệ tinh Khối II/IIA có góc nghiêng là 550 ñộ so với mặt phẳng xích ñạo Thời gian sống thiết kế cho những vệ

tinh Khối II/IIA là 7,5 năm, nhưng thực tế thường vượt quá con số này ðể ñảm bảo

an ninh quốc gia, một vài tính năng bảo mật như khả năng có thể lựa chọn selective availability) ñã ñược thêm vào cấu trúc tín hiệu của những vệ tinh Khối II/IIA

(SA-Thế hệ mới của những vệ tinh GPS, ñược biết như là Khối IIR, hiện tại ñang ñược thi hành Những vệ tinh bổ sung này có khả năng tương thích trở lại ñối với những vệ tinh Khối II/IIA, ñiều này có nghĩa là người sử dụng hoàn toàn có thể nắm bắt ñược những thay ñổi trong Khối IIR Khối IIR bao gồm 21 vệ tinh với thời gian sống ñược thiết kế là 10 năm Thêm vào ñó, nhờ vào ñộ chính xác cao hơn mong ñợi, những vệ tinh Khối IIR có khả năng hoạt ñộng một cách ñộc lập trong khoảng thời gian ít nhất là 180 ngày mà không cần sự ñiều chỉnh từ mặt ñất hoặc là xảy ra

sự sai lệch Khả năng tự ñịnh vị của thế hệ vệ tinh này ñạt ñược một phần nhờ vào các vệ tinh này có khả năng sắp xếp lẫn nhau (mutual satellite ranging capabilities.) Với sự hỗ trợ của ephemeris và dữ liệu clock ñược upload lên ñịnh kỳ trong khoảng thời gian 210 ngày bởi phân ñoạn ñiều khiển mặt ñất nhằm hỗ trợ khả năng tự ñịnh

vị Hầu hết những tính năng này ñược thêm vào 12 vệ tinh cuối cùng của Khối IIR, nằm trong chương trình hiện ñại hóa GPS ñược tiến hành vào ñầu năm 2003 Vào tháng 7 năm 2001, sáu vệ tinh Khối IIR ñã hoạt ñộng thành công

Theo sau Khối IIR là khối IIF (flow-on), bao gồm 33 vệ tinh Khoảng thời gian sống của mỗi vệ tinh là 15 năm Những vệ tinh khối IIF có những khả năng mới nhờ vào chương trình hiện ñại hóa GPS, cải thiện một cách ấn tượng tính chính xác trong chế ñộ GPS tự ñịnh vị

2.1.4 Chòm sao GPS hiện hành

Chòm sao GPS hiện hành chứa 5 vệ tinh Khối II, 18 vệ tinh Khối IIA, và 6

vệ tinh Khối IIR Như vậy, tổng số vệ tinh GPS trong chòm sao hiện hành là 29, vượt quá chòm sao 24 vệ tinh thông thường 5 vệ tinh.Tất cả những vệ tinh Khối I ñã không còn hoạt ñộng nữa

Những vệ tinh GPS ñược ñặt trong sáu mặt phẳng quỹ ñạo, những mặt phẳng quỹ ñạo này ñược dán nhãn từ A ñến F Khi hiện tại, hệ thống có nhiều vệ tinh hơn chòm sao 24 vệ tinh thông thường, một mặt phẳng quỹ ñạo có thể chứa 4 hoặc là 5

vệ tinh Tất cả mặt phẳng quỹ ñạo ñều có 5 vệ tinh, ngoại trừ mặt phẳng quỹ ñạo C- chỉ có 4 vệ tinh Những vệ tinh có thể ñược nhận dạng bởi nhiều hệ thống khác nhau Hệ thống nhận dạng vệ tinh phổ biến nhất trong cộng ñồng người sử dụng GPS là SVN (Space Vehicle Number) và PRN (Pseudo Random Noise) vd: SVN-48/PRN-07 là vệ tinh thứ 6 của Khối IIR-M gồm 31 vệ tinh Khối vệ tinh II/IIA ñược trang bị với bốn ñồng hồ nguyên tử onboard: hai cesium (Cs) và hai rubidium (Rb) ðồng hồ cesium ñược sử dụng làm ñồng hồ thời gian sơ cấp ñể ñiều khiển tín hiệu GPS Tuy nhiên, những vệ tinh khối IIR chỉ sử dụng ñồng hồ rubidium

Bảng 2.5: Chòm sao vệ tinh GPS 7/2001

2.1.5 Những vị trí ñiều khiển (control sites)

Phân ñoạn ñiều khiển của GPS bao gồm một trạm ñiều khiển chính (MCS_Master Control Station), mạng rộng khắp những trạm giám sát và những trạm ñiều khiển mặt ñất

Hình 2.6: Những vị trí ñiều khiển

Có 5 trạm giám sát, ñịnh vị tại Colorado Springs (với MSC), Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia, và ñảo Ascension Vị trí của những trạm giám sát này ñược xác ñịnh chính xác Mỗi trạm giám sát ñược trang bị với những bộ thu GPS chất lượng cao và một bộ dao ñộng cesium nhằm mục ñích theo dấu vết liên tục tất

cả những vệ tinh GPS trong tầm nhìn Ngoài ra, ba trạm giám sát (Kwajalein, Diego Garcia, và Ascension Island) còn ñược trang bị với những antenna mặt ñất ñể upload thông tin tới những vệ tinh GPS Tất cả những trạm giám sát và những trạm ñiều khiển mặt ñất không ñược duy trì hoạt ñộng liên tục, và ñược MCS ñiều khiển

Ngoài ra, giám sát tính toàn vẹn của hệ thống GPS là một trong những nhiệm

vụ của MCS Trạng thái của vệ tinh ñược thiết lập với ñiều kiện không tốt (unhealthy) bởi MCS suốt quá trình hoạt ñộng hoặc ngừng hoạt ñộng của vệ tinh Tình trạng vệ tinh xuất hiện như một phần của thông ñiệp ñiều hướng vệ tinh, xác ñịnh trên một nền gần với thời gian thực (near real-time basis) Trạng thái còn hoạt

ñộng hoặc là ngừng hoạt ñộng của vệ tinh ñược liêt kê trong danh mục, sau ñó trạng

thái này ñược tường thuật trong một thông ñiệp gọi là bản tin báo trước với người

sử dụng Navstar (Notice Advisory to Navstar Users_NANU), bản tin này sẵn dùng

với công chúng Ví dụ Trung tâm ñiều hướng bảo vệ bãi biển Mỹ (the U.S Coast Guard Navigation Center)

2.1.6 GPS - một vài khái niệm cơ bản

Khái niệm phía sau GPS khá ñơn giản Nếu như khoảng cách từ một ñiểm trên Trái ñất (một bộ thu GPS) tới ba vệ tinh ñược xác ñịnh cùng với thông tin về vị trí vệ tinh, thì vị trí của ñiểm (hoặc bộ thu) có thể ñược mô tả bằng cách áp dụng một cách ñơn giản những khái niệm của sự cắt bỏ (resection) Nhưng chúng ta xác ñịnh khoảng cách từ vệ tình tới ñiểm quan sát cũng như vị trí của vệ tinh như thế nào?

Như ñề cập trước ñó, mỗi vệ tinh GPS phát liên tục một tín hiệu vô tuyến tạo thành tổng thể từ hai sóng mang, hai mã và một thông ñiệp ñiều hướng Khi bộ thu GPS ở vị trí ON, nó sẽ thu lấy tín hiệu thông qua antenna bộ thu Một khi bộ thu nhận ñược tín hiệu GPS, nó sẽ xử lý nhờ vào những phần mềm tích hợp bên trong Kết quả xử lý bao gồm các khoảng cách tới những vệ tinh GPS (còn gọi là tầm giả -the pseudoranges) và tọa ñộ vệ tinh ñược xác ñịnh thông qua thông ñiệp ñiều hướng

Theo lý thuyết chỉ cần 3 khoảng cách ñến 3 vệ tinh theo dấu vết một cách ñồng thời Trong trường hợp này, bộ thu sẽ ñược ñịnh vị tại chỗ giao nhau của ba hình cầu, mỗi hình cầu này có một bán kính tương ứng với khoảng cách vệ tinh-bộ thu và tâm là vệ tinh ñó Tuy nhiên, thực tế phải cần ñến 4 vệ tinh ñể mô tả ñộ lệch giữa ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh

Hình 2.7: Nguyên tắc cơ bản ñịnh vị GPS

Cho ñến tận gần ñây, ñộ chính xác khi miêu tả với phương thức này, ñược giới hạn 100 m theo tiêu chuẩn chính xác ngang, 156m theo tiêu chuẩn chính xác dọc và 340 ns ñối với thành phần thời gian, khả năng xảy ra là 95% Mức chính xác

thấp này liên quan tới ảnh hưởng của SA (Selective Availability), một kỹ thuật ñược sử dụng ñể làm suy giảm một cách có chủ tâm tính chính xác trong chế ñộ ñịnh vị thời gian thực tự trị (the autonomous real-time positioning accuracy) với những người sử dụng không ñược cấp phép Với quyết ñịnh của Tổng thống Mỹ về việc loại bỏ kỹ thuật này, ñộ chính xác theo tiêu chuẩn ngang ñược trông ñợi cải thiện khoảng 22m (khả năng có thể xảy ra là 95 %) Xa hơn nữa, ñể cải thiên tính chính xác trong ñịnh vị GPS, một kỹ thuật gọi là phương pháp vi sai ñược sử dụng, trong ñó sử dụng hai bộ thu theo dấu vết ñồng thời cùng một vệ tinh Trong trường hợp này, có thể ñạt ñược ñộ chính xác ñịnh vị từ dưới 1 cm tới vài mét

Lợi ích khác của GPS là khả năng mô tả vận tốc của người sử dụng có thể ñược xác ñịnh bởi vài phương pháp Phương pháp ñược sử dụng rộng rãi nhất là ñánh giá tần số Doppler của tín hiệu GPS thu ñược Bởi vì ñộ dịch Doppler ñược xem như là chuyển ñộng tương ñối giữa bộ thu và vệ tinh Ngoài ra, GPS còn có thể ñược sử dụng ñể mô tả thuộc tính của những bộ phận cứng (body), như máy bay hoặc tàu biển Từ “thuộc tính” có nghĩa là sự ñịnh hướng hoặc phương hướng của một vật thể cứng, có thể ñược miêu tả bởi ba góc xoay của ba trục trên một vật thể

cứng cùng với sự lưu tâm ñến hệ thống tham chiếu (reference system) Thuộc tính

này ñược miêu tả bằng cách trang bị phần thân tối thiểu là 3 bộ thu GPS (hoặc một

bộ thu ñặc biệt) kết nối với ba antenna, ñược sắp xếp thành một ñường không thẳng

Dữ liệu ñược tập hợp tại bộ thu sau ñó ñược xử lý ñể có ñược thuộc tính của vật thể này

2.1.7 Dịch vụ ñịnh vị GPS

Như ñã nói ban ñầu, GPS ñược phát triển như một hệ thống trong quân ñội, nhưng sau ñó ñược sử dụng rộng rãi ñối với tất cả mọi người Tuy nhiên ñể giữ lợi thế của quân ñội, U.S.DoD ñã cung cấp hai chế ñộ ñịnh vị và ño thời gian (timing) GPS: dịch vụ ñịnh vị chính xác (the Precise Positioning Service _PPS) và dịch vụ ñịnh vị tiêu chuẩn (the Standard Positioning Service _SPS)

PPS là dịch vụ ñịnh vị và ño thời gian tự trị chính xác nhất Nó sử dụng một trong những mã phát GPS gọi là mã P(Y), và chỉ có thể ñược truy nhập bởi những người ñược cấp phép Những người này bao gồm lực lượng quân ñội Mỹ Tính chính xác ñược mong chờ trong chế ñộ ñịnh vị này là 16m theo tiêu chuẩn chính xác ngang và 23m theo tiêu chuẩn chính xác dọc (95 % khả năng có thể xảy ra)

Tuy nhiên, SPS ít chính xác hơn PPS Nó sử dụng mã phát thứ hai gọi là mã C/A, cung cấp miễn phí cho tất cả mọi người trên toàn thế giới, cả người ñược cấp phép và người không ñược cấp phép Ban ñầu SPS cung cấp mức chính xác ñịnh vị

là 100m theo tiêu chuẩn chính xác ngang và 156m theo tiêu chuẩn chính xác dọc (khả năng có thể xảy ra là 95%) ðiều này ñạt ñược trong ñiều kiện có SA Sau khi loại bỏ SA, tính chính xác ñịnh vị tự trị SPS trong hiện tại có thể so sánh ñược với PPS

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ðỘNG CƠ BẢN CỦA GPS

2.2.1 Hoạt ñộng cơ bản

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái ðất hai lần trong một ngày theo một quỹ ñạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống Trái ðất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác sẽ tính ñược chính xác vị trí của người sử dụng Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu ñược phát

ñi từ vệ tinh với thời gian nhận ñược tín hiệu tại bộ thu Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Rồi với các khoảng cách ño ñược từ bộ thu ñến vệ tinh, máy thu có thể tính ñược vị trí của người dùng và hiển thị lên bản ñồ ñiện tử của máy

Máy thu GPS phải khóa ñược với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh ñể tính ra vị trí hai chiều (kinh ñộ và vĩ ñộ) và ñể theo dõi ñược chuyển ñộng của vệ tinh Với bốn hay nhiều hơn số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, máy thu có thể tính ñược vị trí ba chiều (kinh ñộ, vĩ ñộ và ñộ cao) Một khi vị trí người dùng ñã tính ñược thì máy thu GPS có thể tính thêm các thông tin khác, như tốc ñộ, hướng chuyển ñộng, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới ñiểm ñến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa

2.2.2 Hoạt ñộng của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau

- Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến việc xác ñịnh vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn

- Vì tín hiệu radio ñi từ vệ tinh xuyên qua tầng ñiện ly và tầng ñối lưu, tốc ñộ cần thiết ñể tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm ñi Hệ thống GPS có dự phòng ñiều ñó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng không hoàn toàn chính xác

- Chướng ngại vật lớn như các dãy núi hay các toà nhà cao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch

- Giữa thiết bị nhận (nhất là của người dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian, và các vệ tinh ñôi khi chạy lệch khỏi quỹ ñạo

2.3 ðỘ CHÍNH XÁC CỦA GPS

Các máy thu GPS ngày nay cho kết quả rất chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt ñộng song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng bám sát các quả vệ tinh khi vừa mới ñược bật ñiện lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc trong thành phố với các toà nhà cao tầng Tình trạng nhất ñịnh của khí quyển và các nguồn gây sai số khác

có thể ảnh hưởng tới ñộ chính xác của máy thu GPS Các máy thu GPS có ñộ chính xác trung bình trong vòng 15 mét

Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng ñộ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay chi phí ñể có ñược lợi ñiểm của WAAS Người dùng cũng có thể có ñộ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS ñể có

ñộ chính xác trong khoảng 3 ñến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch

vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các ñài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu ñã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu chỉnh ðể thu ñược tín hiệu ñã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten ñể dùng cùng với máy thu GPS của họ

2.4 TÍN HIỆU GPS

Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dãi L1 và L2 (dãi L là phần sóng cực ngắn của phổ ñiện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz) GPS dân sự dùng tần số L1= 1575.42MHz trong dãi UHF Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các ñối tượng cứng như núi hay nhà cao tầng

L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên" (pseudo random), ñó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A) Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất ñịnh, cho phép máy thu GPS nhận dạng ñược vệ tinh thông qua tín hiệu Mục ñích của các mã tín hiệu này là ñể tính toán khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu GPS

Tín hiệu GPS chứa ba thành phần thông tin khác nhau – mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch Mã giả ngẫu nhiên ñơn giản chỉ là mã ñịnh danh ñể xác ñịnh ñược vệ tinh nào ñã và ñang phát thông tin nào Có thể nhìn số hiệu của các vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin ñể biết nó nhận ñược tín hiệu của vệ tinh nào

Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở ñâu trên quỹ ñạo

ở mỗi thời ñiểm trong ngày Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ ñạo của vệ tinh ñó và các vệ tinh khác trong hệ thống

Dữ liệu lịch ñược phát ñều ñặn bởi mỗi vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (tốt hay không tốt), ngày giờ hiện tại Phần này của tín hiệu là cốt lõi ñể có thể tiến hành ñịnh vị

2.5 CHI TIẾT VỀ GPS

ðể có thể ñịnh vị hoặc tìm vị trí của người sử dụng với GPS thì ñòi hỏi cần phải hiểu về cấu trúc tín hiệu GPS và phương pháp thực hiện việc ño ñạc ñược thực

hiện Hơn thế nữa, khi tín hiệu GPS ñược thu thông qua bộ thu GPS, hiểu về khả năng và những giới hạn của các dạng bộ thu GPS khác nhau là ñiều rất cần thiết Ngoài ra, khi ño lường GPS, giống như tất cả những sự ño lường khác, ñều có lỗi Tuy nhiên lỗi này có thể ñược loại bỏ hoặc giảm thiểu bằng cách kết hợp nhiều sự quan sát GPS khác nhau

từ 0 sang 1 hoặc từ 1 sang 0

Mã C/A là một chuỗi bao gồm 1,023 bit nhị phân mà lặp lại chính nó trong mỗi mili giây ðiều này có nghĩa rằng tốc ñộ bit của mã C/A là 1.023 Mbps Như vậy khoảng thời gian của một bit xấp xỉ khoảng 1ms Mỗi vệ tinh ñược gán với chỉ một mã C/A duy nhất, ñiều này làm cho bộ thu GPS có thể nhận dạng ñược vệ tinh

dễ dàng ðo lường mã C/A ít chính xác hơn khi so sánh một cách tương ñối với sự

ño lường mã P Tuy nhiên, nó ít phức tạp hơn và sẵn dùng với tất cả mọi người

Mã P là một chuỗi rất dài bao gồm nhiều bit nhị phân lặp lại chắnh nó sau

266 ngày Ngoài ra, tốc ựộ của nó nhanh hơn 10 lần so với mã C/A (10.23 Mbps) Thực hiện phép nhân thời gian mà mã P cần ựể lặp lại chắnh nó, 266 ngày, với tốc

ựộ là 10.23Mbps, cho ra kết quả: chiều dài của chuỗi mã P là 2.35 ừ 1014 bit Mã dài 266 ngày này ựược chia thành 38 ựoạn; mà mỗi ựoạn dài 1 tuần Trong ựó, 32 ựoạn ựược gán ựến những vệ tinh GPS khác nhau đó là, mỗi vệ tinh phát ựi chỉ duy nhất một ựoạn dài 1 tuần của mã P, ựược khởi phát vào thời ựiểm giao nhau giữa thứ bảy và chủ nhật Sáu ựoạn còn lại ựược dự trữ dùng trong những việc khác Một

vệ tinh GPS ựược nhận dạng bởi một phân ựoạn 1 tuần duy nhất ựược gán cho nó trong mã P

Vắ dụ: Vệ tinh GPS với ID là PRN 20 ựược xác ựịnh là vệ tinh GPS ựược

gán phân ựoạn 1 tuần thứ 20 của mã P Ban ựầu, mã P ựược thiết kế vì những mục ựắch quân sự Nó luôn sẵn dùng với tất cả mọi người sử dụng cho ựến ngày 31 tháng

1 năm 1994 Tại thời ựiểm ựó, mã P ựược viết lại bằng cách kết hợp với mã W Kết quả là sự ra ựời của mã Y; mã này có cùng tốc ựộ bit với mã P Mã mới này còn ựược gọi là mã AS (AntiSpoofing)

o Chipping rate for C/A is 1.023 Mhz

o Chipping rate for P(Y) is 10.23 Mhz Tắn hiệu ựiều hướng GPS là một chuỗi dữ liệu ựược thêm vào cả hai sóng mang L1 và L2 bằng phương pháp ựiều chế biphase nhị phân với tốc ựộ phát là 50Kbps Nó bao gồm 25 frame, mỗi frame gồm 1,500 bit, tổng cộng là 37,500 bit

Do ựó, ựể truyền dẫn hoàn toàn thông ựiệp ựiều hướng phải mất hết 750 giây hoặc

là 12.5 phút Thông ựiệp ựiều hướng bao gồm những thông tin như: tọa ựộ của vệ tinh GPS dưới dạng hàm của thời gian, tình trạng vệ tinh, thông tin hiệu chỉnh ựồng

hồ vệ tinh, niên giám vệ tinh và dữ liệu khắ quyển Mỗi vệ tinh truyền dẫn thông ựiệp ựiều hướng của chắnh nó cùng với thông tin của những vệ tinh khác, bao gồm

vị trắ gần chắnh xác của vệ tinh và tình trạng hoạt ựộng

Hình 2.9: Biểu ựồ mã của GPS và pha của sóng mang là:

Hoạt ñộng khôi phục module của mã GPS:

Hình 2.10: Dãi tần phổ tín hiệu của GPS

Chú ý rằng mã C/A ñược cho ở bên dưới với mức nhiễu thấp, tín hiệu ña âm trong bộ thu bởi ñoạn mã ñược tính toán bên trong cấp cho các kí tự

Việc tính toán phổ công suất ñược xuất phát từ sự biến ñổi Fourier của một sóng vuông với ñộ rộng là 2pi và biên ñộ bằng 1 Hàm trong DSP là Sinc:

2.5.2 Hiện ñại hóa GPS

Cấu trúc tín hiệu GPS hiện hành ñược thiết kế vào năm 1970, cách ñây 40 năm Trong những năm sắp tới, hy vọng chòm sao GPS có thêm sự kết hợp của những vệ tinh Khối IIR, Khối IIF và có khả năng là những vệ tinh Khối III ðể ñáp ứng những ñòi hỏi tương lai, các nhà chế tạo GPS ñã nghiên cứu một vài phương án

ñể ñiều chỉnh cụ thể nhằm sửa ñổi một cách thích hợp cấu trúc tín hiệu và kiến trúc

hệ thống cùa chòm sao GPS tương lai Chương trình ñổi mới này nhắm ñến việc cung cấp ñộ dư thừa tín hiệu (signal redundancy) và cải thiện tính chính xác ñịnh vị, tín hiệu luôn sẵn dùng và tích hợp hệ thống

Chương trình hiện ñại hóa bao gồm: Bổ sung mã C/A trên sóng mang L2 và

mã quân sự mới (mã M) trên cả hai sóng mang L1 và L2 ðiều chế mã C/A trên cả hai tần số sóng mang L1 và L2 cho phép người sử dụng với chỉ duy nhất một bộ thu GPS có thể thu ñược tín hiệu chính xác mặc dù vẫn chịu ảnh hưởng của tầng ñiện

ly Sau khi loại bỏ SA và số lượng vệ tinh ñã ñầy ñủ cùng với những tính năng mới,

hy vọng rằng ñộ chính xác theo tiêu chuẩn ngang của hệ thống GPS sẽ ñạt ñược khoảng 8.5m (95% thời gian) hoặc tốt hơn

ðiều chế mã C/A vào sóng mang L2, mặc dù cải thiện ñộ chính xác của hệ thống GPS, nhưng vẫn chưa chắc chắn ñể sử dụng trong những ứng dụng hàng không dân dụng vì những ứng dụng này ñòi hỏi ñảm bảo an toàn tuyệt ñối Nguyên nhân chủ yếu là do nguồn gây can nhiễu rất lớn từ những rada mặt ñất hoạt ñộng gần dải L2 Như vậy, ñể ñáp ứng những yêu cầu của người sử dụng hàng không, tín hiệu dân dụng thứ ba có tần số 1,176.45 Mhz (gọi là L5) sẽ ñược thêm vào 12 vệ tinh ñầu tiên của khối IIRF cùng với mã C/A trên L2 và mã M trên L1 và L2 So với L1 và L2, L5 có năng lượng cao hơn Ngoài ra, L5 có một băng thông quảng bá rộng (tối thiểu là 20Mhz), tốc ñộ bit cao hơn (10.23Mhz), do ñó cung cấp ñộ chính xác cao hơn trong ñiều kiện nhiễu và ña ñường Mã mới sẽ dài hơn mã C/A hiện tại,

do ñó giảm ñược sự tự can nhiễu hệ thống thông qua việc cải thiện những ñặc tính tương quan chéo và tự ñộng (auto- and cross-correlation) Cuối cùng, xét ñến thông ñiệp ñiều hướng quảng bá của L5, dù mang dữ liệu nhiều hơn hoặc ít hơn so với những kênh L1 và L2, sẽ có một cấu trúc hoàn toàn khác biệt và hiệu quả hơn Bổ sung những khả năng này sẽ cải thiện một cách ñáng kể tính chính xác trong ñịnh vị của hệ thống GPS tự trị Tương tự, những người sử dụng chế ñộ ñịnh vị RTK (Real-Time Kinematic) có thể phân tích ñược ngay lập tức những tham số nguyên ambiguity lúc ñầu

Hiện ñại hóa GPS bao gồm luôn cả việc nghiên cứu những vệ tinh thế hệ Khối III kế tiếp, dự kiến hoàn thành vào năm 2030 Cuối cùng, những phương tiện ñiều khiển tại mặt ñất của hệ thống GPS cũng sẽ ñược nâng cấp lên như một phần của chương trình hiện ñại hóa GPS Cùng với sự nâng cấp này, ñộ chính xác theo tiêu chuẩn ngang của hệ thống GPS ñược chờ ñợi sẽ là 6 m (95% thời gian) hoặc tốt hơn

2.5.3 Những dạng bộ thu GPS

Vào năm 1980, chỉ duy nhất một bộ thu GPS thương mại sẵn dùng trên thị trường với mức giá vài trăm ngàn ựô Tuy nhiên ựiều này ựã thay ựổi một cách ựáng

kể, khi trên thị trường ngày này, có hơn 500 bộ thu GPS khác nhau Gắa trị những

bộ thu hiện hành thay ựổi từ $100 cho những bộ thu cầm tay ựơn giản và khoảng

$15,000 ựối với những bộ thu phức tạp, chất lượng cao dùng trong trắc ựịa học Gắa

sẽ tiếp tục giảm trong tương lai khi mà công nghệ sản xuất bộ thu trở nên tiên tiến hơn Một bộ thu GPS ựòi hỏi một anten gắn kèm với nó, gắn bên trong hoặc bên ngoài Anten nhận tắn hiệu vệ tinh ựến, chuyển ựổi năng lượng của tắn hiệu thành dòng ựiện, và sau ựó, bộ thu sẽ xử lý tắn hiệu thu ựược

Những bộ thu GPS thương mại có thể ựược chia thành 4 loại, xét ựến khả năng thu của từng loại đó là: single-frequency code receivers; single-frequency carrier-smoothed code receivers; single-frequency code and carrier receivers; dual-frequency receiver Những bộ thu ựơn tần chỉ duy nhất truy cập tần số L1, trong khi những bộ thu song tần truy cập cả tần số L1 và L2 (chèn hình bộ thu) Ngoài ra, các

bộ thu GPS còn ựược xếp loại dựa vào số lượng kênh mà nó có thể thu ựược, thay ựổi từ 1 ựến 12 kênh Một bộ thu GPS tốt sẽ có chức năng ựa kênh, với mỗi kênh dành ựể quan sát liên tục riêng một vệ tinh Hiện tại, hầu hết những bộ thu GPS ựều

có từ 9 ựến 12 kênh ựộc lập (hoặc song song) Các ựặc ựiểm khác như: giá cả, dễ sử dụng, tiêu thụ năng lượng, kắch thước và trọng lượng, khả năng lưu trữ dữ liệu bên trong và mở rộng bên ngoài, khả năng giao tiếp sẽ ựược xem xét khi lựa chọn mua một bộ thu GPS Dạng bộ thu GPS ựầu tiên, single-frequency code receivers, khi tiến hành ựo ựạc tầm giả (pseudoranges) chỉ sử dụng duy nhất mã C/A Không một

ựo ựạc nào khác sẵn dùng đây là dạng bộ thu rẻ nhất và ựồng thời cũng ắt chắnh xác nhất, hầu như ựược sử dụng vì mục ựắch giải trắ Dạng bộ thu thứ hai, single-frequency carrier-smoothed code receivers, cũng chỉ dùng duy nhất mã C/A ựể ựo ựạc tầm giả nhưng kết hợp thêm tần số sóng mang có ựộ phân tắch cao hơn bên trong máy ựể xử lý số liệu ựo ựạc ựược, do ựó tầm giả mà máy ựo sẽ có ựộ chắnh xác cao hơn Những số liệu mà dạng bộ thu thứ ba ựo ựạc ựược bao gồm: tầm giả dùng mã C/A dưới dạng thô, kết quả ựo ựạc pha-sóng mang L1, và thông ựiệp ựiều hướng Ngoài ra, dạng bộ thu này cũng có khả năng thực hiện các chức năng giống với những dạng bộ thu kia

Bộ thu song tần là dạng bộ thu ựắt tiền nhất và tinh vi nhất Trước khi kắch hoạt AS, bộ thu này có khả năng xuất ra tất cả những thành phần tắn hiệu GPS (sóng mang L1 và L2, mã C/A, mã P trên cả L1 và L2, và thông ựiệp ựiều hướng) Tuy nhiên, sau khi kắch hoạt AS, mã P ựược mã hóa thành mã Y Do ựó, bộ thu không thể xuất ra ngoài mã P hoặc là sóng mang L2 sử dụng kỹ thuật thu tắn hiệu truyền thống để giải quyết vấn ựề này, những nhà sản xuất bộ thu GPS ựã phát minh ra những kỹ thuật không ựỏi hỏi thông tin của mã Y Hiện tại, hầu hết những bộ thu sử dụng hai kỹ thuật phổ biến bao gồm kỹ thuật theo dõi dấu vết Ờ Z (Z-tracking) và kỹ thuật tương quan chéo (cross-correlation) Cả hai kỹ thuật này khôi phục lại ựược sóng mang L2 một cách ựầy ựủ nhất nhưng cường ựộ tắn hiệu ựã bị suy giảm nhiều

độ suy giảm này trong kỹ thuật tương quan cao hơn so với kỹ thuật Z

2.5.4 Những hệ thống thời gian

Thời gian thực hiện một vai trò quan trọng trong ñịnh vị với GPS Tín hiệu GPS ñược ñiều khiển bởi những thiết bị ño thời gian chính xác - ñồng hồ nguyên tử Ngoài ra, ño lường khoảng cách vệ tinh - bộ thu ñều dựa trên cả ñồng hồ vệ tinh và ñồng hồ bộ thu Ngoài ra, GPS cũng là một hệ thống ño lường thời gian, ñược sử dụng ñể ñồng bộ hóa thời gian

Nhiều hệ thống thời gian ñược sử dụng trên toàn thế giới với nhiều mục ñích khác nhau Trong số ñó, Coordinated Universal Time (UTC) và GPS Time là hai hệ thống thời gian quan trọng nhất ñối với người sử dụng GPS UTC là một hệ thống dựa trên International Atomic Time (TAI) TAI là thang ño thời gian (time scale) chính thức, ñược tính toán dựa trên những thang ño thời gian (time scale) ñộc lập

mà ñược phát ra bởi những ñồng hồ nguyên tử ñặt tại các phòng thí nghiệm thời gian khác nhau trên toàn thế giới Tuy nhiên, công việc trắc ñịa và ñiều hướng ñòi hỏi một hệ thống thời gian có mối liên hệ với hoạt ñộng xoay tròn của Trái ñất (không phải là ñồng hồ nguyên tử) Phương pháp giải quyết: ñiều chỉnh thường

xuyên thang ño thời gian (time scale) UTC bằng cách tăng lên 1s, gọi là giây nhuận (leap seconds), ñể giữ nó sai lệch chỉ 0.9 giây ñối với một thang ño thời gian (time

scale) khác gọi là Universal Time 1(UT1), với UT1 là thang ño thời gian quốc tế có mối liên hệ với hoạt ñộng xoay tròn của trái ñất Những leap-second thỉnh thoảng ñược ñưa vào ngày 30/6 hoặc là vào ngày 31/12 Kể từ tháng 7 năm 2001, leap second ñược ñưa vào lần cuối vào ngày 1, tháng 1 năm 1999, ñã tạo ra sai số giữa TAI và UTC chính xác ñến 32 giây (TAI ở giá trị cao hơn UTC)

GPS Time là thang ño thời gian (time scale) ñược sử dụng ñể tham khảo, hoặc gắn kèm thời gian với tín hiệu GPS Thang ño này ñược tính toán dựa trên những thang ño thời gian ñược phát ra bởi những ñồng hồ nguyên tử tại những trạm giám sát và trên những vệ tinh GPS onboard Không có leap second nào ñược ñưa vào GPS Time, do ñó GPS Time là một thang ño thời gian (time scale) liên tục GPS Time ñược thiết lập trùng với UTC vào ngày 6/1/1980 Tuy nhiên, liên quan ñến những leap second ñược ñưa UTC, GPS Time nhanh hơn UTC 13 giây vào ngày 1/1/1999 Thông tin sai số giữa UTC và GPS Time gắn kèm trong thông ñiệp ñiều hướng GPS Cả ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh GPS ñều sai lệch so với GPS Time, nguyên nhân từ lỗi của cả ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh

2.5.5 ðo ñạc tầm giả

Hình 2.12: ðo lường tầm giả

Tầm giả (pseudorange) là khoảng cách giữa bộ thu GPS và vệ tinh GPS (chính xác hơn là giữa anten của bộ thu và anten của vệ tinh) Khoảng cách từ bộ thu ñến vệ tinh là một thông số cần thiết ñể tính toán vị trí Mã P hoặc mã C/A có thể ñược sử dụng ñể ño lường tầm giả

Thủ tục ñể xác ñịnh tầm giả GPS có thể ñược mô tả như sau Chúng ta hãy tạm thời thừa nhận rằng ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh hoàn toàn ñồng bộ với nhau Khi mà mã PRN ñược phát ra từ vệ tinh, bộ thu cũng sẽ phát ra một bản sao giống hệt mã ñó Sau một khoảng thời gian, tương ñương với khoảng thời gian tín hiệu truyền ñi trong không gian, mã phát sẽ ñược thu bởi bộ thu Bằng cách so sánh

mã phát và bản sao của nó, bộ thu có thể tính toán ñược thời gian mà tín hiệu truyền

ñi tính từ lúc phát Thực hiện phép nhân tín hiệu với tốc ñộ của ánh sáng (299,729,458 m/s) cho ra kết quả là khoảng cách từ vệ tinh ñến bộ thu

Tuy nhiên, giữa ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh không hề ñồng bộ Trong thực tế, khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát ño ñược ñã bị sai lệch bởi lỗi ñồng bộ giữa ñồng hồ bộ thu và vệ tinh, cùng với những lỗi khác nữa Vì vậy thông số ñã ño ñược gọi là tầm giả (pseudorange) chứ không phải là một tầm thực sự

GPS ñược thiết kế ñể tầm ño bởi mã dân dụng C/A phải kém chính xác hơn khi dùng mã quân sự P Bởi vì ñộ phân giải của mã C/A là 300m, nhỏ hơn 10 lần so với mã P Nhưng với sự cải tiến trong công nghệ thu, ñộ chính xác ñạt ñược gần như là tương tự ñối với cả hai mã

2.5.6 ðo ñạc pha-sóng mang

Hình 2.13: ðo pha sóng mang

Một cách khác ñể ño ñạc khoảng cách vệ tinh-bộ thu là sử dụng kỹ thuật ño lường pha-sóng mang Bộ thu và vệ tinh phát ra cùng một tín hiệu sóng mang trong cùng thời ñiểm Bộ thu so sánh tín hiệu sóng mang ñã bị trì hoãn do vệ tinh phát với sóng mang của chính bộ thu ñó phát ra Khoảng cách ñược tính bằng cách cộng số bước sóng ñầy ñủ của sóng mang với ñộ dịch pha (ño ñược tại bộ thu, khoảng ~1% chiều dài bước sóng) Kết quả ño ñược chính xác hơn khi ño ñạc dùng mã Nguyên nhân bởi vì bước sóng của sóng mang-ñối với L1 là 12 cm, còn L2 là 24 cm - nhỏ hơn rất nhiều so với ñộ rộng bit của mã

Tuy nhiên, có một vấn ñề Những sóng mang này ñều là những sóng sin thuần túy, vì vậy tất cả chu kỳ ñều giống nhau Do ñó, bộ thu GPS không có cách nào ñể có thể phân biệt chu kỳ này với chu kỳ kia Nói cách khác, bộ thu không thể nào xác ñịnh ñược số lượng bước sóng truyền giữa vệ tinh và bộ thu Vì vậy, số

lượng bước sóng ñầy ñủ cần phải xác ñịnh gọi là tham số ambiguity May mắn là bộ

thu có khả năng phát hiện những sự thay ñổi pha Do ñó tham số ambiguity duy trì không ñổi toàn thời gian, miễn là không xảy ra mất mát tín hiệu

Hình 2.14: Số bước sĩng đầy đủ của song mang; final portion: độ dịch pha

Rõ ràng rằng, nếu vấn đề tham số ambiguity được giải quyết, khoảng cách

chính xác cĩ thể đo được, kết quả là sự định vị chính xác ðịnh vị chính xác cĩ thể đạt được thơng qua những kỹ thuật định vị tương đối trong thời gian thực hoặc trong chế độ postprocessing Khơng may là, để đạt được điều này, địi hỏi phải cĩ hai bộ thu GPS theo dõi liên tục cùng một vệ tinh hiện hữu trong tầm nhìn

2.5.7 Trượt chu kỳ (cycle slip)

Trượt chu kỳ là sự gián đốn hoặc một cú nhảy nào đĩ bên trong đo lường pha-sĩng mang, gây ra bởi sự mất mát tín hiệu tạm thời Mất mát tín hiệu liên quan đến những chướng ngại vật mà cản trở tín hiệu vệ tinh GPS như là: những tịa nhà, cây cối, cầu và nhiều đối tượng khác Chủ yếu là do tín hiệu GPS yếu và sự can nhiễu tín hiệu Can nhiễu tín hiệu radio, tình trạng rối loạn tầng điện ly mãnh liệt, và trở kháng cao của bộ thu cũng gây ra sự mất mát tín hiệu Trượt chu kỳ cũng cĩ thể

bị gây ra bởi những trục trặc của chính bộ thu

Trượt chu kỳ cĩ thể xảy ra trong một thời gian ngắn hoặc cĩ thể duy trì trong vài phút, thậm chí cĩ thể hơn Trượt chu kỳ cĩ thể ảnh hưởng đến một tín hiệu vệ tinh hoặc nhiều hơn Trượt tín hiệu phải được nhận dạng hoặc được điều chỉnh để tránh gây lỗi lớn đến những tọa độ định vị được tính tốn Cĩ vài phương pháp để

thực hiện điều này Kiểm tra quan sát sai phân bộ ba (triple difference observable),

phương pháp này cĩ thể được định hình bằng cách kết hợp những quan sát GPS khác nhau theo một cách nào đĩ, đây là phương pháp phổ biến nhất trong thực tế Một trượt tín hiệu (cycle slip) sẽ chỉ duy nhất ảnh hưởng đến một sai phân bộ ba (triple difference) và do đĩ nĩ sẽ chỉ xuất hiện như một gai trong chuỗi dữ liệu sai phân bộ ba Trong một vài trường hợp, như là xảy ra những hoạt động mãnh liệt trong tầng điện ly, thật khĩ để dị ra và sửa chữa một cách chính xác trượt tín hiệu (cycle slip) sử dụng phương pháp quan sát sai phân bộ ba (triple difference

observable) Kiểm tra lại ñộ dư thừa ñiều chỉnh (adjustment residuals) có thể có ích trong việc dò ra bất kỳ trượt chu kỳ còn lại nào

Hình 2.15: Trượt chu kỳ GPS

Một phương pháp gọi là kiểm tra baseline mức không (zero baseline test) ñược sử dụng ñể dò ra trượt tín hiệu mà nguyên nhân gây ra là do trục trặc bộ thu ðối với phương pháp này, hai bộ thu ñược kết nối ñến một anten thông qua một bộ chia tách tín hiệu (splitter) Trượt chu kỳ có thể ñược dò bằng cách kiểm tra ñộ dư thừa ñiều chỉnh (adjustment residuals)

2.5.8 Kết hợp tuyến tính những sự quan sát GPS

ðo lường GPS bị làm cho sai lệch ñi bởi những lỗi (errors and biases), mà thật khó ñể có thể ñưa ra một mô hình ñầy ñủ và chính xác Những lỗi này giới hạn tính chính xác ñịnh vị của những bộ thu GPS ñộc lập May mắn là những bộ thu gần giống nhau có cùng dạng lỗi Như vậy, ñối với những bộ thu này, một số lượng lớn lỗi GPS có thể bị loại bỏ một cách ñơn giản, bằng cách kết hợp những thông tin mà các bộ thu này quan sát ñược

Về nguyên tắc, có ba nhóm lỗi tín hiệu GPS: lỗi liên quan ñến bộ thu, lỗi liên quan ñến vệ tinh, lỗi khí quyển Số liệu ño ñạc ñược từ hai bộ thu GPS theo dấu vết ñồng thời cùng một vệ tinh sẽ có cùng dạng lỗi: lỗi liên quan ñến vệ tinh và lỗi liên quan ñến khí quyển thu hẹp khoảng cách giữa hai bộ thu lại thì những lỗi này càng tương ñồng nhau hơn Do ñó, nếu trong trường hợp chúng ta tìm kiếm những thông

số khác nhau từ số liệu ño ñạc ñươc của hai bộ thu thì những dạng lỗi này sẽ ñược giảm thiểu một cách ñáng kể Thực tế là, lỗi xung ñồng hồ vệ tinh ñã bị loại bỏ một cách ñáng kể khi áp dụng phương pháp kết hợp tuyến tính này Phương pháp này

còn ñược gọi là sự sai biệt ñơn giữa những bộ thu (between-receiver single difference)

Hình 2.16: Một vài phương pháp kết hợp tuyến tính GPS

Tương tự, khi tiến hành ño ñạc hai lần sử dụng cùng một bộ thu GPS quan sát hai vệ tinh khác nhau, số liệu ño ñạc ñược sẽ có cùng lỗi ñồng hồ bộ thu Do ñó, tìm kiếm sự sai biệt giữa hai thông số ño ñạc này sẽ có thể loại bỏ ñược lỗi ñồng hồ

bộ thu Sự sai biệt này gọi là sự sai biệt ñơn giữa những vệ tinh (between-satellite single difference) Khi hai bộ thu quan sát hai vệ tinh một cách ñồng thời, kết quả

thu ñược sẽ là hai sai biệt ñơn giữa những bộ thu (between-receiver single difference) Lấy hai số liệu này trừ cho nhau, kết quả thu ñược gọi là sự sai biệt ñôi

(double difference) Phương pháp này loại bỏ gần như hoàn toàn lỗi ñồng hồ của bộ thu và vệ tinh Những lỗi khác cũng ñược giảm thiểu một cách ñáng kể Ngoài ra, phương pháp này giúp duy trì bản chất số nguyên của các tham số ambiguity Do

ñó, nó ñược sử dụng trong chế ñộ ñịnh vị GPS chính xác dựa trên pha-sóng mang

Một phương pháp kết hợp tuyến tính quan trọng khác gọi là “sai phân bộ ba” (“triple difference”), ñây là kết quả từ việc tính hiệu số giữa hai quan sát sai biệt ñôi (double-difference) qua hai khoảng thời gian Tham số ambiguity duy trì không ñổi miễn là không có một trượt chu kỳ nào xảy ra (cycle slips) Như vậy, khi sử dụng phương pháp sai phân bộ ba (“triple difference”), tham số ambiguity sẽ bị triệt tiêu Tuy nhiên, nếu có một trượt tín hiệu (cycle slip) trong dữ liệu, nó sẽ ảnh hưởng chỉ duy nhất ñến một sự quan sát sai phân bộ ba (triple-difference), và do ñó sẽ xuất hiện như là một gai trong chuỗi dữ liệu sai phân bộ ba (triple -difference) Vì lý do này mà phương pháp kết hợp tuyến tính hai sai phân bộ ba (triple -difference) ñược

sử dụng ñể dò ra những trượt tín hiệu (cycle slip)

Tất cả các phương pháp kết hợp tuyến tính này có thể ñược sử dụng chỉ với

dữ liệu ñơn tần, ñó có thể là dữ liệu quan sát pha-sóng mang hoặc dữ liệu quan sát tầm giả (pseudoranges) Nếu dữ liệu song tần sẵn dùng, ta có thể sử dụng những phương pháp kết hợp tuyến tính khác Một trong những phương pháp kết hợp tuyến tính là phương pháp kết hợp tuyến tính tự do-tầng ñiện ly (ionosphere-free linear combination) Kết hợp những quan sát tự do-tầng ñiện ly (ionosphere-free) với những thông số L1 và L2 có thể khử ñược hiệu ứng của tầng ñiện ly Ngoài ra, những số liệu thu ñược từ ño ñạc pha của sóng mang L1 và L2 có thể kết hợp với một tham số gọi là quan sát ñường rộng (wide-lane), ñây là tín hiệu nhân tạo với bước sóng khoảng 86 cm Tín hiệu với bước sóng dài này ñược sử dụng trong phân tích những tham số ambiguity

2.5.9 Những dạng lỗi của GPS

Cả tầm giả GPS và những ño ñạc pha-sóng mang ñều bị ảnh hưởng bởi các lỗi (errors and biases) Những lỗi này có thể ñược phân lớp dựa vào nguồn gốc phát sinh tại vệ tinh, tại bộ thu hay nguồn gốc phát sinh liên quan ñến quá trình truyền tín hiệu (như là ñộ khúc xạ của khí quyển)

Những lỗi nguồn gốc từ vệ tinh bao gồm ephermeris hoặc còn gọi là lỗi quỹ ñạo (vì vệ tinh có thể ñi chệch quỹ ñạo chút ít nên trạm ñiều khiển mặt ñất sẽ lưu giữ các thông tin về quỹ ñạo, ñộ cao, vị trí và tốc ñộ của vệ tinh Những thông tin này từ vệ tinh phát xuống trung tâm ñiều khiển, ở ñây nó sẽ ñược xử lý và gửi lên

vệ tinh ñể hiệu chỉnh, thông tin chính xác sau khi ñược xử lý –thường theo tần xuất 4-6 giờ một lần - ñược gọi là ephermeris sẽ ñược gửi theo tín hiệu vệ tinh ñến máy thu), những lỗi ñồng hồ vệ tinh, và ảnh hưởng của lỗi nhân tạo SA SA ñược cố tình ñưa vào bởi U.S, DoD nhằm làm suy giảm tính chính xác của hệ thống GPS tự trị vì những lý do bảo mật Tuy nhiên, SA ñã bị loại bỏ vào ngày 1/5/2000 Những lỗi có nguồn gốc tại bộ thu bao gồm: lỗi ñồng hồ bộ thu, lỗi ña ñường, nhiễu bộ thu, và những thay ñổi pha trung tâm của anten Lỗi truyền tín hiệu bao gồm trì hoãn tín hiệu GPS khi ñi qua tầng ñiện ly và tầng ñối lưu của bầu khí quyển Thực tế, chỉ duy nhất trong môi trường chân không, tín hiệu GPS mới di chuyển hoặc truyền dẫn ñược với tốc ñộ ánh sáng

Ngoài ra, ñộ chính xác ñịnh vị của GPS khi tính toán còn bị ảnh hưởng bởi vị trí hình học của những vệ tinh GPS ñược quan sát bởi bộ thu Những vệ tinh GPS càng trải rộng ra trên bầu trời thì ñộ chính xác ñạt ñược càng cao

Một vài lỗi này có thể ñược làm giảm ñi hoặc bị khử bỏ bằng cách thông qua phương pháp kết hợp tuyến tính những quan sát GPS Ví dụ như, kết hợp những quan sát L1 và L2 sẽ loại bỏ ñược gần như hoàn toàn ảnh hưởng của tầng ñiện ly

Mô hình toán học của những lỗi này hoàn toàn có thể xác ñịnh ñược

hồ vệ tinh có giá trị là 2.3m [mức 1б: với б là ñộ lệch tiêu chuẩn]

Lỗi ephemeris của một vệ tinh là lỗi ñiển hình ñối với tất cả mọi người sử dụng GPS trên toàn thế giới Tuy nhiên, những người sử dụng khác nhau thấy cùng một vệ tinh dưới những góc nhìn khác nhau, ảnh hưởng của lỗi ephemeris ñối với

ño lường khoảng cách và vị trí ñã tính toán thì khác nhau Do ñó, kết hợp (lấy sai phân) những ño ñạc khác nhau của hai bộ thu theo dấu vết ñồng thời cùng một vệ tinh không thể nào loại bỏ hoàn toàn lỗi ephemeris Tuy nhiên, với những người sử dụng hệ thống GPS gần nhau về không gian, hầu như chắc chắn sẽ có một lỗi khoảng cách ñiển hình, liên quan ñến lỗi ephemeris, mà có thể ñược loại bỏ dễ dàng thông qua việc lấy sai phân những quan sát

bỏ ñộ chính xác trong ñịnh vị tự trị thời gian thực SA chính thức hoạt ñộng vào ngày 25/3/1990

SA tạo ra hai dạng lỗi Dạng ñầu tiên gọi là lỗi delta, nguyên nhân xuất phát

từ những tác ñộng ñối với ñồng hồ vệ tinh, ñây là lỗi phổ biến ñối với tất cả người

sử dụng trên toàn thế giới Dạng thứ hai gọi là lỗi epsilon, hay còn gọi là lỗi quỹ ñạo thay ñổi chậm Với SA, những lỗi ngang và dọc có thể lên tới 100m và 156m, với 95 % khả năng có thể xảy ra Tương tự như lỗi khoảng cách liên quan ñến lỗi ephemeris, lỗi khoảng cách liên quan ñến lỗi epsilon hầu như là ñiển hình ñối với những người sử dụng GPS có khoảng cách gần nhau về không gian Do ñó, sử dụng

hệ thống GPS sai phân (DGPS) sẽ loại bỏ ñược ảnh hưởng của lỗi epsilon Xét trong thực tế DPGS cung cấp ñộ chính xác tốt hơn bộ thu mã P ñộc lập, liên quan ñến khả năng loại trừ hoặc giảm thiểu những lỗi thông thường, bao gồm cả SA

Chính phủ Mỹ ñã loại bỏ SA vào ngày 1/5/2000, kết quả là ñộ chính xác của

hệ thống GPS ñã ñược cải thiện nhiều ðộ chính xác theo tiêu chuẩn ngang và dọc lần lượt là 22m và 33m (95 % khả năng có thể xảy ra)

Hình 2.18: Những thay ñổi vị trí ñịnh vị khi có SA

Hình 2.18: Những thay ñổi vị trí ñịnh vị khi có SA

Mặc dù sự kiện loại bỏ SA không ảnh hưởng nhiều ñến ñộ chính xác của DGPS, nhưng cũng giúp ích trong việc giảm chi phí cài ñặt và ñiều hành hệ thống DGPS Nguyên nhân chủ yếu bởi sự suy giảm ñối với tốc ñộ truyền dẫn theo yêu cầu

2.5.9.3 Lỗi ñồng hồ bộ thu và ñồng hồ vệ tinh

Mỗi vệ tinh GPS Khối II và Khối IIA ñều có 4 ñồng hồ nguyên tử: 2 ñồng hồ cesium và 2 ñồng hồ rubidium Những thế hệ vệ tinh mới hơn, Khối IIR, chỉ có duy nhất ñồng hồ loại rubidium Một trong những ñồng hồ này, ban ñầu là ñồng hồ cesium ñối với cả Khối II và Khối IIA, ñược lựa chọn ñể cung cấp tần số và những yêu cầu về thời gian nhằm phát ra tín hiệu GPS Những vệ tinh còn lại chỉ là dự phòng

Những ñồng hồ vệ tinh GPS, mặc dù có ñộ chính xác cao, nhưng lại không hoàn hảo ðộ ổn ñịnh trong khoảng từ 11.013 hoặc 21.013 qua mỗi chu kỳ một ngày Do ñó, lỗi ñồng hồ vệ tinh vào khoảng 8,64 ñến 17,28ns mỗi ngày Lỗi khoảng cách tương ứng vào khoảng 2,59 m ñến 5,18 m, ta có thể dễ dàng tính toán bằng cách thực hiện phép nhân lỗi ñồng hồ với tốc ñộ ánh sang (~299.729.458m/s)

So sánh với ñồng hồ rubidium, những ñồng hồ cesium có khuynh hướng hoạt ñộng tốt hơn qua mỗi chu kỳ thời gian dài hơn Trong thực tế, ñộ ổn ñịnh của ñồng hồ cesium qua mỗi chu kỳ 10 ngày hoặc hơn tăng lên nhiều Hoạt ñộng của ñồng hồ vệ tinh ñược giám sát bởi trạm ñiều khiển mặt ñất Gía trị sai lệch ñược tính toán, rồi phát ñi như một phần của thông ñiệp ñiều hướng dưới dạng ba hệ số của một ña thức bậc hai

Lỗi ñồng hồ vệ tinh khiến cho ño ñạc GPS ñã sai số lại càng sai số hơn Những lỗi này phổ biến ñối với tất cả người sử dụng GPS ñang quan sát cùng một

vệ tinh và có thể ñược loại bỏ thông qua phương pháp lấy sai phân những quan sát

bộ thu ðiều chỉnh lại giá trị ñồng hồ vệ tinh trong thông ñiệp ñiều hướng cũng chính là ñiều chỉnh lại lỗi ñồng hồ vệ tinh Tuy nhiên, biện pháp ñiều chỉnh này gây

ra sai số khoảng vài nano giây, tương ứng với lỗi tầm trong khoảng vài mét (lỗi một nano giây tương ứng với lỗi tầm khoảng 30 cm)

Trái lại, những bộ thu GPS chỉ sử dụng ñồng hồ thạch anh, có ñộ chính xác thấp hơn nhiều so với ñồng hồ nguyên tử Như vậy, lỗi ñồng hồ bộ thu sẽ lớn hơn nhiều so với lỗi ñồng hồ vệ tinh Tuy nhiên, có thể loại bỏ lỗi này thông qua tính sai phân giữa những vệ tinh khác nhau, hoặc có thể xem ñây như là một tham số vô danh nào ñó trong tiến trình ñánh giá Những ñồng hồ ngoại chính xác hơn (thường

là cesium hoặc là rubidium) ñược sử dụng trong một vài ứng dụng thay thế cho những ñồng hồ thạch anh nội Mặc dù ñồng hồ nguyên tử ngoại có khả năng hoạt ñộng chính xác hơn nhiều, nhưng chúng lại rất mắc tiền, trị giá ñến vài ngàn dollar cho ñồng hồ loại rubidium, $20,000 ñối với ñồng hồ cesium