2. TỔNG QUAN CÂC V ẤN ðỀ NGHIÍN CỨU
2.3.3. Nguyín lý ñịnh vị GPS [9]
Câc vệ tinh GPS bay vòng quanh Trâi ựất hai lần trong một ngăy theo một quỹ ựạo rất chắnh xâc vă phât tắn hiệu có thông tin xuống trâi ựất. Câc mây thu GPS nhận thông tin năy vă bằng phĩp tắnh lượng giâc tắnh ựược chắnh xâc vị trắ của người dùng. Về bản chất mây thu GPS so sânh thời gian tắn hiệu ựược phât ựi từ vệ tinh với thời gian nhận ựược chúng. Sai lệch về thời gian cho biết mây thu ở câch vệ tinh bao xa. Với nhiều khoảng câch ựo ựược tới nhiều vệ tinh mây thu có thể tắnh ựược vị trắ của người dùng vă hiển thị lắn bản ựồ ựịắn tử của mây. Mây thu phải nhận ựược tắn hiệu của ắt nhất 3 vệ tinh ựể tắnh ra vị trắ hai chiều (kinh ựộ vă vĩ ựộ) vă ựể theo dõi ựược chuyển ựộng. Khi nhận ựược tắn hiệu của ắt nhất 4 vệ tinh thì mây thu có thể tắnh ựược vị trắ 3 chiều (kinh ựộ, vĩ ựộ vă ựộ cao). Một khi vị trắ người dùng ựê tắnh ựược thì mây thu GPS có thể tắnh câc thông tin khâc, như tốc ựộ, hướng chuyển ựộng, khoảng hănh trình, khoảng câch tới ựiểm ựến, thời gian mặt trời mọc, lặnẦ.
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 24
Vậy tuỳ thuộc văo từng mục ựắch sử dụng mă chúng ta chia ra thănh câc phương phâp ựịnh vị khâc nhau:
- định vị tuyệt ựối - định vị tương ựối
2.3.3.1. định vị tuyệt ựối
a. Nguyắn lý ựịnh vị tuyệt ựối
đo GPS tuyệt ựối lă trường hợp sử dụng mây thu GPS ựể xâc ựịnh ra ngay toạ ựộ của ựiểm quan sât trong hệ toạ ựộ WGS- 84. đó có thể lă câc thănh phần toạ ựộ vuông góc (X, Y, Z) hoặc câc toạ ựộ mặt cầu (B, L, H).
Việc ựo GPS tuyệt ựối ựược thực hiện trắn cơ sở sử dụng ựại lượng ựó lă khoảng câch giả từ vệ tinh ựến mây thu theo nguyắn tắc giao hội không gian từ câc ựiểm ựê biết lă câc vệ tinh.
Nếu biết chắnh xâc khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu code tựa ngẫu nhiắn từ vệ tinh ựến mây thu, ta sẽ tắnh ựược khoảng câch chắnh xâc giữa vệ tinh vă mây thu. Khi ựó 3 khoảng câch ựược xâc ựịnh ựồng thời từ 3 vệ tinh ựến mây thu sẽ cho ta vị trắ không gian ựơn trị của mây thu. Song trắn thực tế cả ựồng hồ vệ tinh vă ựồng hồ mây thu ựều có sai số, nắn khoảng câch ựo ựược không phải lă khoảng câch chắnh xâc. Kết quả lă chúng không thể cắt nhau tại một ựiểm, nghĩa lă không thể xâc ựịnh ựược vị trắ của mây thu. để khắc phục tình trạng năy cần sử dụng thắm một ựại lượng ựo nữa ựó lă khoảng câch từ một vệ tinh thứ tư ựến mây thu. để thấy rõ ựiều năy ta viết thắm một hệ gồm 4 phương trình dạng: (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 (1.1)
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 25
Hình 2.5: Kỹ thuật ựịnh vị tuyệt ựối
Tại một trạm mây, công tâc quan trắc ựược tiến hănh ựồng thời nắn thănh phần ∆t chỉ còn lă ảnh hưởng của sai số ựồng hồ mây thu. Do ựó bằng câch ựo khoảng câch giả ựồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xâc ựịnh ựược 4 ẩn số (X, Y, Z) lă câc thănh phần toạ ựộ của mây thu (ựiểm xĩt) theo toạ ựộ WGS-84 vă sai số ựồng hồ mây thu ∆t.
Vậy lă, bằng câch ựo khoảng câch giả ựồng thời tờ 4 vệ tinh ựến mây thu ta có thể xâc ựịnh ựược toạ ựộ tuyệt ựối của mây thu, ngoăi ra còn xâc ựịnh thắm ựược số hiệu chỉnh do ựồng hồ thạch anh của mây thu nữa. Quan sât ựồng thời 4 vệ tinh lă yắu cầu tối thiểu cần thiết ựể xâc ựịnh tọa ựộ không gian tuyệt ựối của ựiểm quan sât.
b. đo vi phđn
Phần lớn khâch hăng sử dụng mây thu GPS thường có nhu cầu ựịnh vị với ựộ chắnh xâc từ cỡ ựềximet ựến văi chục mĩt. Nhưng với chế ựọ can thiệp SA (Selective Availability) thì hệ thống GPS chỉ cho ựộ chắnh xâc ựịnh vị hạn chế cỡ 100m. để thâo gỡ sự hạn chế năy, giới kỹ thuật vă câc nhă sản xuất mây thu GPS ựê ựưa ra một phương phâp ựo ựược gọi lă ựo GPS vi phđn.
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 26
Theo phương hâp năy chỉ cần có một mây thu GPS có khả năng phât tắn hiệu vô tuyến ựược ựặt tại ựiểm có toạ ựộ ựê biết (gọi lă mây cố ựịnh), ựồng thời có mây khâc (gọi lă mây di ựộng) ựặt ở vị trắ cần xâc ựịnh toạ ựộ, ựó có thể lă ựiểm cố ựịnh hoặc ựiểm di ựộng. Cả mây cố ựịnh vă mây di ựộng cần tiến hănh ựồng thời thu tắn hiệu từ câc vệ tinh như nhau. Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu, thì kết quả xâc ựịnh toạ ựộ của cả mây cố ựịnh vă mây di ựộng cũng ựều bị sai lệch. độ sai lệch năy ựược xâc ựịnh trắn cơ sở so sânh toạ ựộ tắnh ra theo tắn hiệu thu ựược vă toạ ựộ biết trước của mây cố ựịnh vă ựược xem lă như nhau cho cả mây cố ựịnh vă mây di ựộng. Nó ựược mây cố ựịnh phât ựi qua sóng vô tuyến ựể mây di ựộng thu nhận vă hiệu chỉnh cho kết quả xâc ựịnh toạ ựộ của mình.
Ngoăi câch hiệu chỉnh cho toạ ựộ, người ta còn tiến hănh hiệu chỉnh cho khoảng câch từ vệ tinh ựến mây thu. Câch hiệu chỉnh thứ hai năy ựòi hỏi mây thu cố ựịnh có cấu tạo phức tạp vă tốn kĩm hơn, nhưng lại cho phĩp người sử dụng xử lý chủ ựộng linh hoạt hơn.
Phương phâp ựo GPS vi phđn có thể có hai câch xử lý số hiệu chỉnh tại ựiểm di ựộng:
- Phương phâp xử lý ựồng thời (Real time) - Phương phâp hậu xử lý (Post-procesing)
để ựảm bảo ựộ chắnh xâc, câc mây di ựộng không nắn ựặt quâ xa mây cố ựịnh, ựể ựảm bảo giâ trị nhiễu lă như nhau. đồng thời, số liệu cải chắnh vi phđn cần phải xâc ựịnh vă chuyển phât nhanh với tần số cao. độ chắnh xâc của phương phâp năy ựạt tới mĩt, thậm chắ văi ựềximet.
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 27
2.3.3.2. định vị tương ựối
Hình 2.6: Kỹ thuật ựịnh vị tương ựối a. Nguyắn lý của ựịnh vị tương ựối
định vị GPS tương ựối lă trường hợp sử dụng hai mây thu GPS ựặt ở hai ựiểm quan sât khâc nhau ựể xâc ựịnh ra hiệu tọa ựộ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ựộ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa ựộ WGS-84.
Nguyắn tắc ựo GPS tương ựối ựược thực hiện trắn cơ sở sử dụng ựại lượng ựo lă pha của sóng tải. để ựạt ựược ựộ chắnh xâc cao vă rất cao cho kết quả xâc ựịnh hiệu tọa ựộ giữa hai ựiểm xĩt, người ta ựê tạo ra vă sử dụng câc sai phđn khâc nhau cho pha sóng tải nhằm lăm giảm ảnh hưởng ựến câc nguồn sai số khâc nhau như: Sai số của ựồng hồ vệ tinh cũng như của mây thu, sai số tọa ựộ vệ tinh, sai số số nguyắn ựa trị,...
Ta ký hiệu pha (chắnh xâc hơn lă hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j ựược ựo tại trạm quan sât r văo thời ựiểm ti, ta sẽ có sai phđn bậc một ựược
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 28
biểu diễn như sau:
∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.2)
Trong sai phđn năy hầu như không còn ảnh hưởng của sai số ựồng hồ vệ tinh. Nếu hai trạm cùng tiến hănh quan sât ựồng thời hai vệ tinh j vă k văo thời ựiểm ti, ta có phđn sai bậc hai:
∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.3)
Qua công thức năy ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số ựồng hồ vệ tinh vă mây thu.
Nếu xĩt hai trạm cùng tiến hănh quan sât ựồng thời hai vệ tinh j vă k
văo thời ựiểm ti vă ti+1, ta sẽ có phđn sai bậc ba:
∆3Φj,k(ti)= ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.4) Sai phđn năy cho phĩp loại trừ sai số số nguyắn ựa trị.
Tại mỗi thời ựiểm ta có thể quan sât ựược số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng câch tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ựo, mặt khâc thời gian thu tắn hiệu trong ựo tương ựối thường khâ dăi vì vậy số lượng trị ựo ựể xâc ựịnh ra hiệu tọa ựộ giữa hai ựiểm lă rất lớn, khi ựó băi toân sẽ giải theo phương phâp số bình phương nhỏ nhất.
b. đo tĩnh
Phương phâp ựo tĩnh ựược sử dụng ựể xâc ựịnh hiệu toạ ựộ (vị trắ tương hỗ) giữa hai ựiểm xĩt với ựộ chắnh xâc cao, thường lă nhằm ựâp ứng câc yắu cầu của công tâc trắc ựịa- ựịa hình. Trong trường hợp năy cần có hai mây thu, một mây ựặt ở ựiểm ựê biết toạ ựộ, còn mây kia ựặt ở ựiểm cần xâc ựịnh toạ ựộ. Cả hai mây phải ựồng thời thu tắn hiệu từ một số vệ tinh chung liắn tục trong một khoảng thời gian nhất ựịnh, thường từ 60 phút ựến văi ba tiếng ựồng hồ. Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sât lă 4. Khoảng thời
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 29
gian quan sât phải kĩo dăi lă ựủ ựể cho ựồ hình phđn bố vệ tinh thay ựổi mă từ ựó ta có thể xâc ựịnh ựược số nguyắn ựa trị của sóng tải vă ựồng thời lă ựể có nhiều trị ựo nhằm ựạt ựộ chắnh xâc cao vă ổn ựịnh cho kết quả giâm sât.
Trong ựo tĩnh cần chú ý ựến công tâc bố trắ câc ca ựo. Khoảng thời gian quan trắc của câc mây thu ựược gọi lă ựộ dăi ca ựo. Khoảng quan trắc ựầu tiắn trong ngăy ựược ký hiệu lă DDD0 vă tiếp theo lă DDD1. Số hiệu ngăy DDD ựược ký hiệu từ 001 ựến 365 ngăy (ngăy Julian). Vắ dụ: ca ựo 1052 chỉ ca ựo thứ 3 trong ngăy thứ 105.
Khi quyết ựịnh ựộ dăi thời gian quan trắc trong câc ca ựo cần căn cứ văo: - độ dăi cạnh ựo
- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc - Cấu hình vệ tinh
- độ ổn ựịnh của tắn hiệu vệ tinh ựo ựược
Thông thường khi vệ tinh căng nhiều thì cấu hình căng tốt vă thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn. Thời gian quan trắc cũng có thể rut ngắn ựối với cạnh có chiều dăi ngắn hơn. Bảng sau ựđy kiến nghị khoảng thời gian ựo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lắn với ựiều kiện khắ tượng bình thường.
Bảng 2.4: Quy ựịnh chiều dăi cạnh, ựộ dăi ca ựo
Chiều dăi cạnh (km) độ dăi ca ựo (phút) 0-1 1-5 5-10 10-20 10-30 30-60 60-90 90-120
Thời gian phải kĩo dăi tới mức nhất ựịnh ựể có thể xâc ựịnh ựược số nguyắn ựa trị. đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1km), số nguyắn ựa trị có thể ựược giải ra trong khoảng thời gian 5 Ờ 10 phút khi sử dụng pha của tần số L1. Bằng mây thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng (Wide lane), ở khoảng câch ựo
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 30
lă 15 km có thể nhận ựược kết quả chắnh xâc với chỉ 2 phút số liệu ựo.
đđy lă phương phâp cho phĩp ựạt ựộ chắnh xâc cao nhất trọng việc ựịnh vị tương ựối bằng GPS có thể cỡ cm, thậm chắ mm ở khoảng câch giữa hai ựiểm xĩt tới hăng chục vă hăng trăm km. Nhược ựiểm chủ yếu của phương phâp lă thời gian ựo phải kĩo dăi hăng giờ ựồng hồ, do vậy năng suất thường không cao.
c. đo ựộng (Kinematic)
Phương phâp ựo ựộng cho phĩp xâc ựịnh vị trắ tương ựối của hăng loạt ựiểm so với ựiểm ựê biết, trong ựó tại mỗi ựiểm ựo chỉ cần thu tắn hiệu trong một văi phút. Theo phương phâp năy cần có ắt nhất hai mây thu. để xâc ựịnh số nguyắn ựa trị của tắn hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh ựây ựê biết gối lắn hai ựiểm ựê biết toạ ựộ. Sau khi ựê xâc ựịnh, số nguyắn ựa trị ựược giữ nguyắn ựể tắnh khoảng câch từ vệ tinh ựến mây thu cho câc ựiểm ựo tiếp cho cả chu kỳ ựo. Nhờ vậy thời gian thu tắn hiệu thời ựiểm ựo không phải lă một tiếng ựồng hồ trong ựo tĩnh nữa mă chỉ cần một văi phút trong phương phâp ựo năy.
Với cạnh ựây ựê biết, ta ựặt một mây thu cố ựịnh ở ựiểm ựầu cạnh ựây vă cho tiến hănh thu liắn tục tắn hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ ựo, mây năy gọi lă mây cố ựịnh. Ở ựiểm cuối cạnh ựây ta ựặt mây thu thứ hai, cho nó thu tắn hiệu ựồng thời với mây cố ựịnh trong vòng 1 phút. Việc lăm năy gọi lă khởi ựo (Innitialization), mây thứ hai năy ựược gọi lă mây di ựộng. Tiếp ựó cho mây di ựộng lần lượt chuyển ựến câc ựiểm ựo cần xâc ựịnh, tại mỗi ựiểm cần dừng lại thu tắn hiệu trong một phút, cuối cùng quay về ựiểm xuất phât lă ựiểm cuối cạnh ựây ựể khĩp tuyến ựo bằng lần thu tắn hiệu thứ hai cũng kĩo dăi một phút tại ựiểm năy.
Yắu cầu nhất thiết của phương phâp ựo ựộng lă cả mây cố ựịnh vă mây di ựộng phải ựồng thời thu tắn hiệu liắn tục từ ắt nhất lă 4 vệ tinh chung trong
Trường đại học Nông nghiệp Hă Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 31
suốt chu kỳ ựo. Vì vậy khu ựo phải bố trắ ở khu vực thoâng ựêng không ựể xảy ra tình trạng tắn hiệu thu bị giân ựoạn. Nếu xảy ra trường hợp năy phải tiến hănh ựo lại cạnh ựây xuất phât hoặc sử dụng một cạnh ựây khâc ựược thiết lập dự phòng trắn tuyến ựo.
Phương phâp ựo ựộng cho ựộ chắnh xâc không thua kĩm so với phương phâp ựo tĩnh. Song nó lại ựòi hỏi khâ ngặt nghỉo về thiết kế vă tổ chức ựo ựể ựảm bảo yắu cầu về ựồ hình phđn bố cũng như tắn hiệu của vệ tinh.