1.2.3.1 Các ựại lượng ựo
Việc ựịnh vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng ựại lượng
ựo cơ bản, ựó là ựo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-code) và ựo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2.
Ớ đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code
Code tựa ngẫu nhiên ựược phát ựi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ựúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chắnh máy thu tạo ra có thể xác ựịnh ựược khoảng thời gian lan truyền của tắn hiệu code, từựó dễ dàng xác ựịnh ựược khoảng cách từ vệ
tinh ựến máy thu (ựến tâm anten của máy thu). Do có sự không ựồng bộ giữa
ựồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tắn hiệu nên khoảng cách tắnh theo khoảng thời gian ựo ựược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, ựó là khoảng cách giả.
Hình 1.5: Xác ựịnh hiệu số giữa các thời ựiểm
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
Nếu ký hiệu tọa ựộ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa ựộ của ựiểm xét (máy thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tắn hiệu từ vệ tinh ựến ựiểm xét là t, sai số
không ựồng bộ giữa ựồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giảựo ựược là R, ta có phương trình:
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
∆t
∆δ Code do máy thu tạo ra
Code chuyền từ vệ tinh
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 17
Trong ựó, c là tốc ựộ lan truyền tắn hiệu.
Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tắnh của các nhà thiết kế
hệ thống GPS, kỹ thuật ựo khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu chỉ có thểựảm bảo ựộ chắnh xác ựo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tắnh ựến ảnh hưởng của ựiều kiện lan truyền tắn hiệu, sai sốựo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận ựược ựể cho khách hàng dân sự ựược khai thác. Song kỹ thuật xử lý tắn hiệu code này ựã ựược phát triển ựến mức có thểựảm bảo ựộ chắnh xác ựo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng ựại trà. Chắnh vì lý do này mà trước ựây Chắnh phủ Mỹ ựã ựưa ra giải pháp SA ựể hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật ựo GPS có thể khắc phục ựược nhiễu SA, Chắnh phủ Mỹựã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trịựo GPS từ tháng 5 năm 2000. Ớ đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 ựược sử dụng cho việc ựịnh vị với ựộ chắnh xác cao. Với mục ựắch này người ta tiến hành ựo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận ựược từ vệ tinh và pha của tắn hiệu do chắnh máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy thu ựo ựược ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π).
Khi ựó ta có thể viết:
Trong ựó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu; λ là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N còn ựược gọi là số
nguyên ựa trị, thường không biết trước mà cần phải xác ựịnh trong thời gian ựo;
∆t là sai sốựồng bộ giữa ựồng hồ của vệ tinh và máy thu;
t c z z y y x x t t c R= ( +∆ ) = ( s − )2 +( s − )2 +( s − )2 + ∆ (1.1) ) ( 2 t c N R− + ∆ = Φ λ λ π (1.2) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 18
Trong trường hợp ựo pha theo sóng tải L1 có thể xác ựịnh khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ựộ chắnh xác cỡ cm, thậm chắ nhỏ hơn. Sóng tải L2 cho ựộ chắnh xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ựáng kể tầng ựiện ly và việc xác ựịnh số nguyên ựa trị ựược ựơn giản hơn.
Hình 1.6: Kỹ thuật giải ựa trị tại các máy thu
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
1.2.3.2 định vị tuyệt ựối (point positioning)
đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS ựể xác ựịnh ngay tọa ựộ của
ựiểm quan sát trong hệ tọa ựộ WGS-84. đó có thể là các thành phần tọa ựộ
vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa ựộ trắc ựịa mặt cầu (B,L,H). Hệ thống tọa ựộ WGS-84 là hệ thống tọa ựộ cơ sở của GPS, tọa ựộ
của vệ tinh và ựiểm quan sát ựều lấy theo hệ thống tọa ựộ này.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 19
là khoảng cách giả từ vệ tinh ựến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các ựiểm ựã biết tọa ựộ là các vệ tinh.
Nếu biết chắnh xác khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ựến máy thu, ta sẽ tắnh ựược khoảng cách chắnh xác giữa vệ
tinh và máy thu. Khi ựó 3 khoảng cách ựược xác ựịnh ựồng thời từ 3 vệ tinh
ựến máy thu sẽ cho ta vị trắ không gian ựơn trị của máy thu. Song trên thực tế
cả ựồng hồ trên vệ tinh và ựồng hồ trong máy thu ựều có sai số, nên khoảng cách ựo ựược không phải là khoảng cách chắnh xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ựiểm, nghĩa là không thể xác ựịnh ựược vị trắ của máy thu. để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ựại lượng ựo nữa, ựó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:
(XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-c∆t)2 (XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-c∆t)2 (XS3- X)2 +(YS3- Y)2 +(ZS3- Z)2= (R3-c∆t)2 (XS4- X)2 +(YS4- Y)2 +(ZS4- Z)2 = (R4-c∆t)2
Với khoảng cách giảựo ựồng thời từ 4 vệ tinh ựến máy thu chúng ta sẽ
lập ựược hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t). Giải hệ phương trình trên chúng ta tìm ựược tọa ựộ tuyệt ựối của máy thu và số hiệu chỉnh
ựồng hồ của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ựộng ựầy ựủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát ựược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ựó số
lượng phương trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 20
Hình 1.7: Kỹ thuật ựịnh vị tuyệt ựối
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) 1.2.3.3 định vị tương ựối (Relative Positioning)
đo GPS tương ựối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ựặt ở hai
ựiểm quan sát khác nhau ựể xác ựịnh ra hiệu tọa ựộ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ựộ trắc ựịa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa ựộ WGS-84.
Nguyên tắc ựo GPS tương ựối ựược thực hiện trên cơ sở sử dụng ựại lượng ựo là pha của sóng tải. đểựạt ựược ựộ chắnh xác cao và cho kết quả xác
ựịnh hiệu tọa ựộ giữa hai ựiểm xét, người ta ựã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ựến các nguồn sai số
khác nhau như: Sai số của ựồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ựộ vệ tinh, sai số số nguyên ựa trị,...
Ta ký hiệu Φrj(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j ựo ựược tại trạm r vào thời ựiểm ti, khi ựó nếu hai trạm ựo 1 và 2 ta quan sát ựồng thời vệ tinh j vào thời ựiểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ựược biểu diễn như sau:
∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.4)
Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai sốựồng hồ vệ tinh. Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ựồng thời hai vệ tinh j và k vào
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 21
thời ựiểm ti, ta có phân sai bậc hai:
∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.5)
Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số ựồng hồ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát ựồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời ựiểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:
∆3Φj,k = ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.6) Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ựa trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt ựộng. Do vậy, tại mỗi thời ựiểm ta có thể quan sát ựược nhiều vệ tinh. Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trịựo, mặt khác thời gian thu tắn hiệu trong ựo tương ựối thường khá dài vì vậy số lượng trị ựo ựể xác ựịnh ra hiệu tọa ựộ
giữa hai ựiểm là rất lớn, khi ựó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất.
Hình 1.8: Kỹ thuật ựịnh vị tương ựối
(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 22
hiệu tọa ựộ (hay vị trắ tương hỗ) giữa hai ựiểm xét với ựộ chắnh xác cao, nhằm
ựáp ứng yêu cầu của công tác Trắc ựịa ựịa hình. Trong trường hợp này cần có tối thiểu hai máy thu, một máy ựặt ở ựiểm ựã biết tọa ựộ còn máy kia ựặt tại
ựiểm cần xác ựịnh. Cả hai máy thu ựồng thời thu tắn hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhất ựịnh, thường từ một ựến hai ba giờ ựồng hồ tuỳ vào từng cấp ựộ lưới. Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quan sát là 4. Khoảng thời gian quan sát kéo dài là ựể cho ựồ hình phân bố vệ tinh thay
ựổi từựó ta có thể xác ựịnh ựược số nguyên ựa trị của sóng tải và ựồng thời là
ựể có nhiều trịựo nhằm ựạt ựộ chắnh xác cao và ổn ựịnh kết quả quan sát.đây là phương pháp ựạt ựược ựộ chắnh xác cao nhất trong việc ựịnh vị tương ựối bằng GPS.
- Phương pháp ựo ựộng: Phương pháp ựo ựộng cho phép xác ựịnh vị trắ tương ựối của hàng loạt ựiểm so với ựiểm ựã biết. Phương pháp này cần có ắt nhất hai máy thu ựể xác ựịnh số nguyên ựa trị của tắn hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh ựáy ựã biết ựược gối lên ựiểm ựã có tọa ựộ. Sau khi ựã xác ựịnh số
nguyên ựa trị ựược giữ nguyên ựể tắnh khoảng cách từ vệ tinh ựến máy thu cho các ựiểm ựi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ ựo. Nhờ vậy, thời gian thu tắn hiệu tại ựiểm ựo không phải là một giờ ựồng hồ như trong phương pháp ựo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này.
1.2.3.4 định vị vi phân (Differential GPS)
Phương pháp này dùng một máy thu ựặt cố ựịnh tại ựiểm ựã biết tọa ựộ
và máy thu này có khả năng phát ra tắn hiệu vô tuyến, ựồng thời có máy di
ựộng khác ựặt ở vị trắ cần xác ựịnh tọa ựộ. Cả máy cố ựịnh và máy di ựộng cần ựồng thời tiến hành thu tắn hiệu từ các vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ
vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác ựịnh tọa ựộ của cả máy cố ựịnh và máy di
ựộng cũng ựều bị sai lệch, ựộ sai lệch này ựược xác ựịnh trên cơ sở so sánh tọa ựộ tắnh ra theo tắn hiệu thu ựược từ vệ tinh và tọa ựộựã biết trước của máy cố ựịnh và có thể xem là như nhau cho cả máy cố ựịnh và máy di ựộng. Nó (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 23
ựược máy cốựịnh phát ựi qua sóng vô tuyến ựể máy di ựộng thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác ựịnh tọa ựộ của mình.