2.1. GPS LÀ GÌ?
2.2.1.3. Các nguồn lỗi
Cho đến thời điểm này chúng ta có thể giả định rằng các vị trí thu được từ thiết bị GPS là rất chính xác và không có lỗi, nhưng có một số nguồn lỗi làm sai lệch vị trí GPS thực so với vị trí lý thuyết từ một vài mét đến hàng chục mét. Những nguồn lỗi là:
-Độ trễ ở tầng điện ly và bầu khí quyển.
-Lỗi về đồng hồ vệ tinh và đồng hồ thiết bị nhận. -Lỗi đa đường dẫn.
-Sự suy giảm độ chính xác. -Tính sẵn sàng chọn lựa (S/A) -Chống giả mạo (A/S).
Độ chễ ở tầng điện ly và bầu khí quyển
Khi tín hiệu vệ tinh truyền qua tầng điện ly, nó có thể bị chậm lại, hiệu ứng tương tự như ánh sáng khúc xạ qua khối thủy tinh. Độ trễ tầng điện ly này có thể phát sinh lỗi trong phạm vi tính toán khoảng cách vì vận tốc của các tín hiệu bị ảnh hưởng. (Ánh sáng chỉ có vận tốc hằng số trong chân không).
Độ trễ tầng điện ly không là hầng số. Có một số yếu tố ảnh hưởng đến sự chậm trễ gây ra bởi tầng điện ly.
a. Độ cao của vệ tinh: Tín hiệu từ vệ tinh có độ cao thấp sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn tín hiệu từ vệ tinh cao hơn. Điều này là do sự gia tăng khoảng cách mà các tín hiệu truyền qua không khí.
b. Độ dày của tầng điện ly bị ảnh hưởng bởi mặt trời. Vào ban đêm, có rất ít sự ảnh hưởng của tầng điện ly. Ban ngày, mặt trời tăng ảnh hưởng của tầng điện ly và làm chậm các tín hiệu.
Lỗi do tầng điện ly có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp:
- Phương pháp đầu tiên bao gồm việc lấy một mức trung bình của các ảnh hưởng đến việc giảm của vận tốc ánh sáng gây ra bởi tầng điện ly. Điều này có thể được áp dụng cho tính toán khoảng cách. Tuy nhiên, đây là một mức trung bình và rõ ràng là tình trạng này không xảy ra tất cả các thời gian. do đó đây không phải là giải pháp tối ưu để làm giảm lỗi tầng điện ly.
- Phương pháp thứ hai liên quan đến việc sử dụng “Tần số kép-dual frequency” của các thiết bị nhận GPS. Như vậy, các thiết bị nhận đo cả tần số L1 và L2 các tín hiệu GPS. Chúng ta biết rằng, khi sóng radio truyền qua tầng điện ly, nó bị chậm lại tương ứng tỷ lệ nghịch với tần số. Vì vậy, nếu ta so sánh thời gian đến của hai tín hiệu thì ta có thể ước lượng một cách chính xác độ trễ. Lưu ý rằng điều này chỉ có thể thực hiện được với các thiết bị nhận có cả hai tần số
tín hiệu GPS. Hầu hết các thiết bị nhận được thiết kế để định vị chỉ có một tần số.
c. Sự bốc hơi nước cũng ảnh hưởng đến các tín hiệu GPS. Hơi nước chứa trong bầu không khí cũng có thể ảnh hưởng đến các tín hiệu GPS. Những ảnh hưởng này có thể được giảm xuống bằng cách sử dụng mô hình không khí.
Lỗi đồng hồ vệ tinh và đồng hồ thiết bị nhận
Mặc dù các đồng hồ trong các vệ tinh rất chính xác (sai lệnh vào khoảng 3 nano giây), nhưng đôi khi chúng cũng bị sai lệnh và đó là nguyên nhân gây ra những lỗi nhỏ, ảnh hưởng đến độ chính xác của vị trí. Bộ quốc phòng Mỹ đã giám sát các đồng hồ vệ tinh tại các trạm điều khiển và như vậy sẽ điều chỉnh bất kỳ sai lệch nào nếu tìm thấy.
Lỗi đa đường dẫn
Đa đường dẫn xảy ra khi các ăng ten thiết bị nhận được đặt gần bề mặt phản xạ lớn như là hồ hoặc tòa nhà. Các tín hiệu vệ tinh sẽ không truyền trực tiếp tới ăng ten mà sẽ đến bề mặt phản xạ trước rồi mới phản xạ tới ăng ten và sẽ tạo nên một lỗi về đo lường.
Đa đường dẫn có thể được giảm bằng cách sử dụng các ăng ten GPS đặc biệt được kết hợp với một mặt phẳng(hình tròn, bằng kim loại, đường kính trong khoảng 50 cm) để ngăn chặn các tín hiệu phản chiếu tới ăng ten.
Để đạt độ chính xác cao nhất, giải pháp được sử dụng là dùng một ăng ten vòng dây kín. Ăng ten này có 4-5 vòng tròn đồng tâm để bắt bất kỳ tín hiêu trực tiêp nào.
Đa đường dẫn chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác về độ cao của sự đo lường tổng quát. Các thiết bị định vị cầm tay đơn giản không sử dụng công nghệ này.
Sự suy giảm độ chính xác
Dilution of the Precision (DOP) là một thước đo mật độ vệ tinh hình học và có liên quan đến khoảng cách và vị trí của các vệ tinh trên bầu trời. DOP có thể khuếch đại lỗi khoảng cách của các vệ tinh.
Nguyên lý của DOP có thể được giải thích một cách rõ ràng bằng sơ đồ dưới đây.
Well spaced satellites - low
uncertainty of position Poorly spaced satellites - high uncertainty of position
Phạm vi của các vệ tinh bị ảnh hưởng bởi nhiều lỗi được mô tả trước đó. Khi các vệ tinh cũng đang phân phối tốt, các vị trí có thể được xác định là trong vùng bóng mờ trong biểu đồ và có thể có lỗi lề là nhỏ.
Khi các vệ tinh gần nhau, vùng bóng mờ tăng kích thước do đó tăng sự không chắc chắn của vị trí.
Các kiểu DOP khác nhau có thể được tính toán tùy theo kích cỡ, chiều hướng.
VDOP –Vertical Dilution of Precision. DOP theo chiều dọc. Cung cấp cho độ chính xác giảm theo chiều dọc.
HDOP – Horizontal Dilution of Precision. DOP theo chiều ngang. Cung cấp cho độ chính xác giảm theo chiều ngang.
PDOP – Positional Dilution of Precision. DOP theo vị trí. Độ chính xác giảm theo vị trí 3D.
GDOP – Geometric Dilution of Precision. DOP hình học. Cung cấp cho độ chính xác giảm theo vị trí 3D và thời gian.
DOP có ích nhất được biết đến là GDOP bởi vì nó là sự kết hợp của tất cả các nhân tố trên. Tuy nhiên, một số thiết bị nhận tính toán PDOP hoặc HDOP mà không bao gồm các thành phần thời gian.
Cách tốt nhất để giảm thiểu các ảnh hưởng của GDOP là quan sát nhiều vệ tinh càng tốt. Tuy nhiên phải nhớ rằng các tín hiệu từ vệ tinh thấp thường có ảnh hưởng đến một mức độ lớn hơn cho hầu hết các nguồn lỗi.
Một hướng dẫn tổng quát, khi khảo sát GPS,tốt nhất là quan sát vệ tinh ở khoảng 15 ° so với đường chân trời. Phần lớn vị trí chính xác nhất sẽ được tính khi GDOP là thấp.
Tính sẵn có để chọn lựa (S/A)
Sẵn có chọn lựa là một quá trình áp dụng bởi bộ quốc phòng Mỹ cho các tín hiệu GPS. Điều này là để từ chối dân thường và các thế lực thù địch nước ngoài sử dụng sự chính xác đầy đủ đồng hồ vệ tinh và được biết đến đó là quá trình “dithering” tức là làm sai lệch một chút về thời gian. Ngoài ra đường đi của các vệ tinh được phát sóng sẽ hơi khác nhau so với trong thực tế. Kết quả cuối cùng là một sự suy giảm vị trí chính xác.
Chúng ta lưu ý rằng S/A ảnh hưởng đến người sử dụng dân sự sử dụng một thiết bị nhận GPS đơn để có được vị trí của mình. Người dùng của hệ thống khác thì không bị ảnh hưởng đáng kể bởi S/A.
Cho đến nay thì S/A đã được tắt đi để gia tăng độ chính xác của tín hiệu thu được từ vệ tinh.
Chống giả mạo (A/S)
Anti-Spoofing là tương tự như S/A là nó có ý là để từ chối dân thường và thế lực thù địch quyền hạn truy cập vào mã P-một phần của tín hiệu GPS và vì vậy bắt buộc sử dụng mã C/A đã có áp dụng S/A trong đó.
Anti-Spoofing mã hóa mã P vào một tín hiệu gọi là mã Y. Chỉ có người sử dụng thiết bị nhận GPS quân sự (Mỹ và các đồng minh) có thể giải được mã Y.