Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS

Cơng nghệ ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu GPS / 44 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): I.1.2 Phần không gian (Space Segment): I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS I.1.3 Phần sử dụng (User Segment): I.1.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng I.1.3.2 Những phận máy thu GPS I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: 10 I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS 12 I.3.1 Phép định vị tĩnh định vị động 12 I.3.2 Phép định vị tương đối 13 I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu 13 I.3.4 Phép định vị động tương đối 14 I.3.5 Cấu hình hình học GPS độ xác 14 I.3.6 Độ suy giảm xác 15 I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS 15 I.4.1 Sai số đồng hồ 15 I.4.2 Sai số quĩ đạo vệ tinh 16 I.4.3 Sai số tầng điện ly tầng đối lưu 16 I.4.4 Sai số nhiễu tín hiệu: 16 I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 17 1.5.1 Các ứng dụng trắc địa đồ mặt đất 17 -2- I.5.2 Các ứng dụng giao thông thông tin mặt đất 18 I.5.3 Các ứng dụng trắc địa đồ biển: 18 I.5.4 Các ứng dụng giao thông hải dương học biển 19 I.5.5 Các ứng dụng trắc địa đồ hàng không 19 I.5.6 Ứng dụng giao thông hàng không 20 I.5.7 Các ứng dụng thám hiểm không gian 20 I.5.8 Các ứng dụng việc nghỉ ngơi giải trí 20 I.5.9 Các ứng dụng quân đội 20 I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY 21 I.6.1 Nâng cao độ xác đo tĩnh thơng qua biện pháp hạn chế sai số đo: 21 I.6.2 Nâng cao độ xác tính tốn nhờ thuật tốn mới: 23 I.6.3 Nâng cao khả công nghệ GPS: 23 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO 24 II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MƠI TRƯỜNG 24 II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 25 II.3 ĐO GPS 27 II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES) 29 II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) 29 II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) 31 II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 34 II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS 36 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TỐN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA 37 (Theo công nghệ GPS hãng Trimble Navigation) 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 -3- MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đưa vào sản xuất Việt Nam từ năm 1991 Trên sở sử dụng máy thu GPS hãng TRIMBLE loại tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ thuộc Cục Đo đạc đồ Nhà nước lúc gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước khu vực khó khăn đất nước, mà cơng nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) khơng có khả thực hiện, phí lớn thời gian dài thực Trong năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ Cục Đo đạc đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng thành công mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II khu vực Minh Hải, Sông Bé Tây Nguyên, đồng thời xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối đảo quần đảo xa ( kể Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước đất liền Từ đến nay, việc ứng dụng cơng nghệ GPS có bước phát triển lớn Từ chỗ có máy thu GPS tần số hãng TRIMBLE, đến Việt Nam có 82 máy thu GPS loại hãng khác nhau, từ máy thu đặt máy bay, máy thu tần số, máy đo động đến máy có độ xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước, độ xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng dẫn đường xác định toạ độ tâm ảnh bay chụp ảnh máy bay; xây dựng mạng lưới toạ độ, độ cao địa cấp 1; dẫn đường xác định toạ độ đo vẽ đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao mốc quốc giới; xây dựng mạng lưới cơng trình v.v Các phần mềm để xử lý tính tốn bình sai trị đo GPS đa dạng, chủ yếu phần mềm kèm theo máy thu, TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v phần mềm bình sai lưới GPS Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng Qua kết nghiên cứu trực tiếp tham gia đo xử lý, tính tốn kết đo GPS biên soạn tập tài liệu để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm chương sau đây: Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo xử lý tính tốn bình sai kết đo GPS -4- Chương 3: Quy trình cơng nghệ đo xử lý tính tốn bình sai kết đo GPS để thành lập mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS Hãng Trimble Navigation) -5- CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ thống GPS hệ thống định vị vệ tinh sau hệ thống DOPPLER GPS từ viết tắt GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống bắt đầu nghiên cứu từ năm 70 quân đội Mỹ chủ trì Trong năm đầu thập kỷ 80 quân đội Mỹ thức cho phép dùng dân Từ nhà khoa học nhiều nước phát triển lao vào chạy đua để đạt thành cao lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu cho kết hai hướng chủ đạo chế tạo máy thu tín hiệu thiết lập phần mềm để chế biến tín hiệu cho mục đích khác Cho tới năm 1988, máy thu GPS 10 hãng giới sản xuất đạt trình độ cạnh tranh thị trường Vì lý trên, giá máy giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng giới sản xuất máy thu GPS bao gồm hãng như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường máy thu hãng TRIMBLE NAVIGATION đánh giá cao Về phương diện phần mềm hệ thống GPS, thấy tính đa dạng Trị đo thu có loại, tín hiệu vệ tinh phát Chế biến tín hiệu phương pháp khác nhau, thuật toán khác có tham số hình học vật lý khác trái đất Chúng ta nói khả phần mềm vơ tận Với tín hiệu thu tính tọa độ khơng gian tuyệt đối (với độ xác 10 m tới m sử dụng lịch vệ tinh xác), số gia tọa độ khơng gian (độ xác từ cm tới cm), số gia tọa độ địa lý (độ xác từ 0.7 đến cm), số gia độ cao (độ xác từ 0.4 cm đến cm), số gia trọng lực (độ xác 0.2 mgl) Ngồi cịn có tham số khác nghiên cứu Toàn phần cứng hệ thống GPS có tên đầy đủ NAVSTAR GPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING Phần cứng gồm phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) phần sử dụng (User Segment) -6- I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm trạm mặt đất có trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein Hawaii; trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắc địa đặt trạm xác định phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính tốn lại tọa độ vệ tinh theo số liệu trạm theo dõi thu từ vệ tinh Sau tính tốn số liệu gửi từ trạm trung tâm tới trạm hiệu chỉnh số liệu từ gửi tiếp tới vệ tinh Như vòng vệ tinh có số liệu hiệu chỉnh để phát cho máy thu I.1.2 Phần khơng gian (Space Segment): I.1.2.1 Chịm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay quỹ đạo có độ cao đồng 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo góc 55o Việc bố trí nhằm mục đích để thời điểm vị trí trái đất quan sát vệ tinh Mỗi vệ tinh phát tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz L2=1227.60 MHz Loại sóng phát sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm số Mã gọi tên mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng cịn mang mã C/A (Clear/Acquisition) sóng L1 Mã C/A phát với tần số 10.23 MHz 1.023 MHz Ngoài mã vệ tinh cịn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa thông tin lịch vệ tinh Các vệ tinh trang bị đồng hồ nguyên tử với độ xác cao Các vệ tinh NAVSTAR có trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái vệ tinh định trạm điều khiển mặt đất Chúng ta sử dụng tín hiệu vệ tinh hai trạng thái "hoạt động khỏe" "hoạt động không khỏe" I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh truyền hai tần số dùng cho công việc định vị tần số 1575,42 MHz tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang gọi L1 L2, mạch lạc điều chế tín hiệu khác Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ biết tên mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm chuỗi số cộng trừ một, phát tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi lặp lại sau mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu -7- nhiên (PRN) thứ hai, biết tên mã P (Precise - code), bao gồm chuỗi số cộng trừ khác, phát tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày cắt làm 38 đoạn ngày Trong 38 đoạn có đoạn khơng dùng đến, đoạn dùng cho trạm mặt đất , theo dõi tàu thuyền sử dụng, gọi trạm giả vệ tinh (Pseudolite), lại 32 đoạn ngày dành cho vệ tinh khác Mã Y (Y-code) mã PRN tương tự mã P, dùng thay cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo mã P cơng bố rộng rãi khơng giữ bí mật, phương trình tạo mã Y giữ bí mật Vì vậy, mã Y sử dụng người sử dụng GPS khơng có giấy phép (nói chung người khơng thuộc quân đội Mỹ đồng minh họ) khơng thu mã P (hoặc mã Y) Sóng mang L1 điều chế mã ( Mã-C/A Mã`-P mã Y), sóng mang L2 bao gồm Mã-P mã Y Các mã điều chế sóng mang cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị số -1 phase sóng mang đổi 1800, cịn mã số có trị số +1 phase sóng mang giữ ngun khơng thay đổi Cả hai sóng mang mang thơng báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dạng dòng liệu thiết kế tần số thấp (50Hz) để thơng báo tới người sử dụng tình trạng vị trí vệ tinh Các liệu máy thu giải mã dùng vào việc xác định vị trí máy theo thời gian thực I.1.3 Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm máy thu tín hiệu từ vệ tinh đất liền, máy bay tàu thủy Các máy thu phân làm loại: máy thu tần số máy thu tần số Máy thu tần số nhận mã phát với sóng mang L1 Các máy thu tần số nhận sóng mang L1 L2 Các máy thu tần số phát huy tác dụng đo tọa độ tuyệt độ xác 10 m tọa độ tương độ xác từ đến cm khoảng cách nhỏ 50 km Với khoảng cách lớn 50 km độ xác giảm đáng kể (độ xác cỡ dm) Để đo khoảng cách dài đến vài nghìn km phải sử dụng máy tần số để khử ảnh hưởng tầng ion khí trái đất Tồn phần cứng GPS hoạt động hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m =1:29825722 I.1.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng Phần sử dụng GPS coi gồm phận chính: -8- * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), ăngten thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm yếu phận tính chắn, xách tay, tin cậy làm việc trời dễ thao tác Phần mền bao gồm chương trình tính dùng để xử lý liệu cụ thể, chuyển đổi thông báo GPS thành thông tin định vị dẫn đường hữu ích Những chương trình cho phép người sử dụng tác động cần để lợi dụng ưu điểm nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình sử dụng điều kiện ngoại nghiệp thiết kế cho cung cấp thơng báo hữu ích trạng thái tiến hệ thống tới người điều hành Ngồi phần mềm cịn bao gồm chương trình phát triển tính độc lập máy thu GPS , đánh giá nhân tố tính sẵn sàng vệ tinh mức độ tin cậy độ xác Phần triển khai công nghệ hướng tới lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích mơ hình hố hiệu ứng ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng phối hợp chúng phần mềm xử lý số liệu, phát triển hệ thống liên kết truyền thông cách tin cậy cho hoạt động định vị GPS cự ly dài ngắn khác theo dõi xu phát triển lĩnh vực giá hiệu suất thiết bị I.1.3.2 Những phận máy thu GPS Các phận máy thu GPS bao gồm: * Ăngten tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu điều khiển thể * Thiết bị ghi chép * Nguồn lượng Ăngten tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , khơng cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten tương đối chắn đặt ba chân lắp phương tiện -9- giao thơng, vi trí thực xác định trung tâm Phase ăngten, sau truyền lên mốc trắc địa Phần tần số vô tuyến : Bao gồm vi mạch điện tử xử lí tín hiệu kết hợp số hóa giải tích Mỗi kiểu máy thu khác dùng kỹ thuật xử lí tín hiệu khác đơi chút, phương pháp : * Tương quan mã * Phase tần số mã * Cầu phương tín hiệu sóng mang Phần tần số vô tuyến bao gồm kênh sử dụng ba phương pháp nói để truy cập tín hiệu GPS nhận được, số lượng kênh biến đổi khoảng từ đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào vi xử lí Kíck thước kiểu dáng điều khiển loại máy thu khác khác Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ đĩa mềm để ghi trị số quan trắc thơng tin hữu ích khác tách từ tin hiệu thu Nguồn lượng : Phần lớn máy thu dùng nguồn điện chiều điện áp thấp, có vài máy địi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: Như biết nguyên lý hoạt động hệ thống DOPPLER, nguyên lý thay đổi tần số tín hiệu nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật mô tả công thức: C t  C t  ( x s  x p )  ( y s  y p )  ( z s  z p ) (1) đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất; c - Tọa độ sóng; t - Thời gian sóng từ vệ tinh tới máy thu t - Số hiệu chỉnh thời gian Tập hợp phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có ẩn số t, xp yp zp xs ys zs biết từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t xác định theo - 10 - đồng hồ vệ tinh máy thu theo mã C/A, c số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật xác định tọa độ với độ xác 10 m Nếu kết gửi tới trạm điều khiển trung tâm, có tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ xác m Sở dĩ độ xác tăng lên đáng kể máy thu thu lịch vệ tinh dự báo, trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh xác Qua thấy tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất xác định có độ xác phương pháp DOPPLER Sở dĩ vệ tinh hệ thống GPS có độ cao gấp đơi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt độ xác 10 m hệ thống GPS dùng để đáp ứng mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho đối tượng chuyển động tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS Ngược lại với độ xác tọa độ tuyệt đối, cơng nghệ GPS đạt thành tựu đáng kể việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối xác định pha sóng mang L1 (với máy thu tần số) hay L1 L2 (với máy thu tần số) Chúng ta có cơng thức: S = N +  (2) Trong đó:  - Bước sóng ( = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; : Pha sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu Từ cơng thức (2) có:  = (f/c).S - N (3) Xét cơng thức (3) từ phía khác viết: (t) = s(ts ) - p(t) + Nsp (4) s(ts ) - Pha sóng thời điểm ts vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; p(t) - Pha sóng thời điểm t máy thu nhận tín hiệu; Nsp - Số ngun lần bước sóng Từ cơng thức ta suy ra: (t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp (5) Kết hợp thành phần vế phải công thức (5) biểu diễn dạng: - 11 - (t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp (6) Trong đó: p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) máy thu gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh máy thu gây không phụ thuộc thời gian (chủ yếu s(to) - p(to) + Nsp , to thời điểm bắt đầu đo) Cơng thức (6) cơng thức để lập phương trình đo kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng phải tổ hợp trị đo cho khử thành phần hệ thống p(t), s(t) p I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS I.3.1 Phép định vị tĩnh định vị động Hệ GPS dùng để định vị vật thể tĩnh vật thể chuyển động Mặc dù trị quan trắc nhau, thực tế ăngten tĩnh động khác nên dãn đến khác lớn Nếu ăngten cố định quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm cho phép ta có trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo nhận độ xác cao vị trí xác định Khi ăngten chuyển động nhận định (Fix) tức thời, (thông thường từ cự ly quan trắc đồng thời gần đồng thời) khơng có số đo dư thừa Trong trường hơp định vị tĩnh, nhận kết theo thời gian thực, mơĩ trị quan trắc sử lý cho cải thiện trị toạ độ vị trí xác định trước đó, trị quan trắc xử lý sau kết thúc công tác trời.Chúng ta gọi nghiệm xử lý sau (postprocessed solution) Trong phép định vị động, thường người ta tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nghiệm bao gồm vị trí ( Fix ) thời điểm Một chuỗi kết định ( lộ trình rời rạc phương tiện lưu thơng ) xử lý cách sử dụng số thủ thuật tiếp cận đường cong trơn - 12 - I.3.2 Phép định vị tương đối Khi địi hỏi trị đo có độ xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối Trong kiểu đo này, hai ăngten hai máy thu tương ứng đặt hai đầu cạnh cần quan trắc phải làm việc đồng thời Sở dĩ đạt độ xác cao kiểu đo số sai số tích luỹ cự ly quan trắc thường đồng với tối thiểu tương tự hai đầu đường đáy Các sai số loại trừ giảm cách đáng kể xác định trị số định vị tương đối Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ý tưởng kiểu đo sử dụng máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh Nếu không xuất trị số trượt chu kỳ máy thu liên tục đảm bảo độ xác tốt chu kỳ (20 cm) tín hiệu phase phách sóng mang trị số định vị tương đối máy thu tĩnh máy thu lang thang Kiến nghị có hai ngụ ý: * Các ứng dụng định vị động lợi dụng độ xác cao nhiều số đo sóng mang, thay bị hạn chế độ xác số đo mã * Mở phạm vi rộng ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnh hàng không không dùng đến điểm khống chế mặt đất I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu Độ xác kết đo cải thiện cách đáng kể số máy thu triển khai dạng mạng lưới định vị Nói chung, mạng lưới ln có cấu hình mạnh mặt hình học so với cạnh đo có số đo dư thừa - cạnh đo lưới cần phải thoả mãn điều kiện xác định phương pháp hình học Các trị đo dư thừa dùng để kiểm soát ảnh hưởng sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống trị quan trắc Chúng ta để ý thấy có máy thu nên liên kết cạnh đáy thiết kế thành mạng lưới, có cải thiện độ xác trị số định vị Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với qui luật khác thường, liên quan đến phần lưới mà máy thu hoạt động liên quan đến giai đoạn quan trắc trạm riêng biệt Trong hoàn cảnh vậy, người ta cần phải đặc biệt ý thực tối ưu hố lịch đo để đạt độ xác tốt công cụ rẻ tiền - 13 - I.3.4 Phép định vị động tương đối Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ xác cao thi phép định vị điểm mơ tả trước khơng đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối ý tưởng phép đo dùng ăngten tĩnh làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu ăngten tĩnh truy cập vệ tinh giống vệ tinh máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt truy cập tất vệ tinh nhìn thấy được) Độ xác coi phụ thuộc vào vị trí máy tĩnh hoạt động đồng hồ Sở dĩ có khác (tức sai số khép độ dài) cự li đo tới vệ tinh cự li tính từ vị trí "biết trước" máy thu tĩnh đồng hồ có biến đổi trơng thấy vị trí máy thu tĩnh có biến động tức thời thông tin quỹ đạo giá trị thời gian trễ khí hoạt động đồng hồ Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac thời gian thực Kết nghiên cứu cho tháy người ta nhận kết tốt việc bổ sung số liệu chỉnh dễ dàng dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh thời gian thực nâng cao độ xác độ tin cậy phép định vị động Máy thu tĩnh coi vệ tinh giả đặt bờ để truyền tín hiệu thơng báo mã hoá cách giống truyền qua vệ tinh I.3.5 Cấu hình hình học GPS độ xác Độ xác định vị điểm GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh độ xác đo đạc Thành phần thơng thường độ xác đo đạc GPS sai số đo dài tương đương người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể ảnh hưởng tổng hợp tính thiếu tin cậy lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian nhiễu máy thu Ảnh hưởng cấu hình hình học vệ tinh thể suy giảm xác DOP (Dilution of Precision) tính tỉ số độ xác định vị độ xác đo, hoặc:  = DOP o Trong o độ xác trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)  độ xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trị số tọa độ) - 14 - DOP trị số vơ hướng thể tác động cấu hình hình học độ xác vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc quan tâm độ xác trị số tọa độ riêng biệt tổng hợp tọa độ Các trị số DOP thường dùng là: VDOP o độ xác tiêu chuẩn cao độ HDOP o độ xác vị trí mặt phẳng 2D PDOP o độ xác vị trí khơng gian 3D TDOP o độ xác tiêu chuẩn thời gian THDOP o độ xác mặt phẳng thời gian GDOP o độ xác vị trí khơng gian 3D thời gian Khoảng tin cậy vị trí điểm xác định mặt phẳng bậc hai tổng bình phương hai trục elip sai số Đó HDOP Nói chung, DOP tương đương với bậc hai tổng bình phương khoảng tin cậy trục tương ứng với tham số quan tâm I.3.6 Độ suy giảm xác Độ suy giảm xác DOP số đo cường độ hình học cấu hình phân bố vệ tinh GPS Bởi cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian vệ tinh chuyển động quỹ đạo chúng từ vị trí đến vị trí Chúng ta mong muốn trị DOP nhỏ tốt Giả thiết độ xác trị số đo 10 m, trị DOP có độ xác định vị 50 m Nếu trị DOP gần đơn vị độ xác định vị gần độ xác trị số đo 10 m (một tình may mắn nhất) I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS I.4.1 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 - 15 - I.4.2 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 khơng 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 ephemerit thứ có độ xác mức 10 - 50 m, cung cấp Chính phủ Mỹ cho phép, cịn 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 I.4.3 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 xuyên 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 khơng q 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 I.4.4 Sai số nhiễu tín hiệu: Ăng ten máy thu khơng thu tín hiệu thẳng từ vệ tinh tới mà cịn nhận tín hiệu phản xạ từ mặt đất môi trường xung quanh Sai số tượng gây - 16 - gọi sai số nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, nhà chế tạo máy thu khơng ngừng hồn 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 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 I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.5.1 Các ứng dụng trắc địa đồ mặt đất Độ xác cao trị số đo Phase sóng mang GPS với thuật tốn bình sai xấp xỉ dần cung cấp cơng cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác cơng tác trắc địa đồ Chúng ta chia ứng dụng làm loại: - Đo đạc địa - Lập lưới khống chế trắc địa - Theo dõi độ biến dạng cục - Theo dõi độ biến dạng toàn Đo đạc địa địi hỏi độ xác vị trí tương đối khoảng 10-4 Người ta đạt độ xác cách dễ dàng cách quan trắc GPS Lưới khống chế trắc địa lưới trắc địa có độ xác cao Độ xác u cầu vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với cự ly 20 - 100 km Độ xác đạt cách xử lý sau trị đo phase sóng mang GPS phần - 17 - mềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp (ví dụ lưới đo vẽ đồ) thành lập phương pháp GPS Việc theo dõi độ biến dạng cục (lún khai thác mỏ, biến dạng cơng trình) địi hỏi độ xác mm đến cm cự ly tới vài km Đối với ứng dụng này, độ xác đạt nói bị hạn chế thiếu chắn biến đổi vi mạch ăng ten GPS sai lệch tín hiệu môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn nữa, khó khăn bị tăng lên khả nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn tượng bóng tối tín hiệu mơi trường cơng nghiệp tiêu biểu Việc theo dõi độ biến dạng toàn (hoạt động kiến tạo địa tầng) địi hỏi độ xác khoảng 10-7 - 10-8 cự ly liên lục địa Sự khác việc theo dõi biến dạng toàn so với ứng dụng nói chỗ trường hợp cần phải có mơ hình phức tạp quỹ đạo vệ tinh GPS, trị thời trễ truyền tín hiệu qua tầng khí độ lệch khác I.5.2 Các ứng dụng giao thông thông tin mặt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải GPS giao thông dân dụng tăng thay phương pháp truyền thống Trong việc xác định hành trình mặt đất, hình tự động thể vị trí phương tiện (được xác định GPS) sơ đồ điện tử thay so sánh có tính thủ cơng vật thể xung quanh phương tiện với đồ truyền thống Ứng dụng thuộc loại quan trọng phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm cứu hộ Việc theo dõi vị trí chuyển động phương tiện đạt phương tiện trang bị máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS Vị trí xác định thiết bị thu xử lý GPS truyền đến địa điểm trung tâm thể hình I.5.3 Các ứng dụng trắc địa đồ biển: Nhờ độ xác cao thời gian cần thiết để đo vị trí định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với cơng việc định vị ven bờ ngồi khơi Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ xác vị trí mặt phẳng thường thay đổi khoảng từ vài đềcimét đến vài chục mét Để đáp ứng yêu cầu cần phải sử dụng kỹ thuật quan sát xử lý số liệu khác cách sử dụng phép đo giả cự ly phép đo phase sóng mang Các ứng dụng biển bao gồm đo vẽ đồ, chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) đo vẽ cầu tàu bến cảng Các yêu cầu định - 18 - vị thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) yêu cầu định vị hố khoan đáp ứng GPS Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực trái đất ) dùng GPS làm công cụ định vị I.5.4 Các ứng dụng giao thông hải dương học biển Hệ thống địnhvị GPS trở thành công cụ dẫn đường hàng hải biển lý tưởng Yêu cầu độ xác dẫn hướng biển thay đổi khoảng từ vài mét (trên bãi biển, bến tàu dẫn hướng sông) đến vài trăm mét (dẫn hướng đường đi) Thủ tục định vị GPS xác sử dụng phép đo giả ngẫu nhiên phép đo phase sóng mang đưa đến việc dẫn hướng tàu thuyền sông ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm cứu hộ ngồi khơi xa có hiệu nhờ nâng cao độ xác việc dẫn hướng đường Các nhu cầu định vị công tác dã ngoại vật lý đại dương đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền xác, số liệu cần thiết nghiên cứu dòng chảy đại dương I.5.5 Các ứng dụng trắc địa đồ hàng không Trong ứng dụng đo đạc đo vẽ đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm ảnh Trong đo vẽ ảnh hàng khơng, yêu cầu độ xác dẫn đường bay khoảng vài chục mét - thực cách dễ dàng nhờ hệ GPS Phép xử lý sau với độ xác cao GPS thay kỹ thuật tam giác ảnh không gian đóng vai trị điểm khống chế mặt đất cách tuyệt hảo Yêu cầu độ xác phép định vị lĩnh vực ứng dụng thay đổi khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo loại tỉ lệ đồ khác Phép lập mặt cắt địa hình laze hàng khơng dùng để đo vẽ trực tiếp đồ số địa hình (mơ hình số mặt đất) vị trí cảm biến (laze) biết với độ xác khoảng 0.5 - m độ cao vài mét mặt phẳng Người ta trông đợi hệ GPS cho độ xác định vị tốt phép xử lý sau đo Phép đo trọng lực hàng không đòi hỏi kiểu định vị tương tự Trong lĩnh vực ứng dụng này, số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS liệu trọng lực - 19 - Phép đo sâu laze hàng khơng phép xạ ảnh rada địi hỏi độ xác định vị cảm biến khơng cao thực cách dễ dàng số đo GPS I.5.6 Ứng dụng giao thông hàng không Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết hãng hàng không quốc tế sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế quy định sử dụng hệ thống GPS dẫn đường cất, hạ cánh Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia thức sử dụng GPS Trong ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp gieo trồng ngũ cốc ), lĩnh vực khơng địi hỏi tính an tồn hàng không mà cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS đảm bảo dễ dàng yêu cầu xác dẫn đường bay I.5.7 Các ứng dụng thám hiểm không gian Ứng dụng chủ yếu hệ GPS thám hiểm không gian bao gồm việc định vị định hướng bay phương tiện khơng gian khác có mang theo máy thu phát địa lý trắc địa Thơng thường vệ tinh có quỹ đạo thấp, nguyên lý hình học phép đo tươgn tự ứng dụng cho mặt đất Những ví dụ điển hình lĩnh vực ứng dụng phép đo viễn thám vệ tinh phép đo độ cao rada Các vị trí tọa độ vệ tinh nhận từ số đo GPS dùng để cải tiến đơn giản hóa tính tốn quỹ đạo phương tiện khơng gian này, chí thay phép định vị liên tục phép định vị rời rạc định vị quỹ đạo bay I.5.8 Các ứng dụng việc nghỉ ngơi giải trí Người ta trơng đợi giá máy thu GPS liên tục giảm Hiện mức giá vài trăm dola người sử dụng khơng chun mua máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng nhỏ (như đồng hồ đeo tay) Trong trường hợp này, hoạt động nghỉ ngơi điều dưỡng cung cấp thị trường rộng lớn cho máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng I.5.9 Các ứng dụng quân đội Hệ thống định vị toàn cầu thiết kế chủ yếu quân đội định vị điểm theo thời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải Hệ định vị GPS coi hệ độc lập phận hệ thống dẫn đường tích hợp Ngồi ra, vệ tinh GPS cịn mang theo thu phát để khám phá hiển thị vụ nổ hạt nhân - 20 -