Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ DẪN ĐƯỜNG TÍCH HỢP INS/GPS
1.2. Hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.2.3. Các nguồn sai số của phép đo tín hiệu GPS
Độ chính xác của hệ thống GPS chịu ảnh hưởng bởi nhiều loại sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Các nguồn sai số chính của phép đo tín hiệu GPS bao gồm: sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai số do chậm trễ ở tầng điện ly, sai số do chậm trễ ở tầng đối lưu, sai số đa đường truyền và nhiễu máy thu [23, 35, 41, 44]. Phần này sẽ trình bày đặc trưng của các nguồn sai số và phương pháp để giảm thiểu hoặc loại bỏ các sai số đó.
1.2.3.1. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Để xác định được vị trí và tốc độ của máy thu tín hiệu GPS, cần phải biết vị trí của vệ tinh tại thời điểm phát tín hiệu. Vị trí của vệ tinh được dự đốn bằng một tập hợp các thơng số quỹ đạo Kepler và thông số thời gian [35]. Sai số trong việc dự đoán trước quỹ đạo của vệ tinh so với quỹ đạo thực của nó được gọi là sai số quỹ đạo của vệ tinh. Sai số quỹ đạo của vệ tinh là rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp tới độ chính xác của kết quả xác định vị trí, tốc độ và thời gian của máy thu. Sai số quỹ đạo vệ tinh sẽ gây ra sai số vị trí của máy thu khoảng 2m [23, 45]. Có thể giảm sai số quỹ đạo vệ tinh bằng cách sử dụng kỹ thuật sai phân. Một phương pháp khác là sử dụng thông số quỹ đạo chính xác được cung cấp bởi các trạm theo dõi. Tuy nhiên thơng số quỹ đạo chính xác khơng được cập nhật và cung cấp tức thời nên không thể sử dụng trong tính tốn thời gian thực.
1.2.3.2. Sai số đồng hồ vệ tinh
Thông số thời gian của vệ tinh, bao gồm cả giá trị thời gian hiện tại và giá trị tiên đoán, được xác định tại các trạm điều khiển tại mặt đất và truyền lên vệ tinh để mã hoá vào dữ liệu vệ tinh và truyền đi. Q trình xác định thời gian, q trình tiên đốn thời gian đều chứa đựng sai số. Sai số đó được gọi là sai số đồng hồ vệ tinh. Sai số đồng hồ vệ tinh thường khoảng 2-3m. Tuy nhiên, nó độc lập với vị trí của thiết bị nhận, nên nó có thể được loại bỏ một cách hiệu quả bằng cách sử dụng các kỹ thuật sai phân [23].
1.2.3.3. Sai số đồng hồ máy thu
Độ chính xác của đồng hồ máy thu là kém hơn nhiều độ chính xác của đồng hồ vệ tinh GPS vì đồng hồ máy thu khơng phải là đồng hồ nguyên tử và độ trôi của đồng hồ là không biết. Độ trôi của đồng hồ máy thu sẽ biến đổi theo thời gian. Tuy nhiên tác động của nó lên các phép đo trong cùng một thời điểm là như nhau. Vì vậy nếu thu được tín hiệu đồng thời từ ít nhất 4 vệ tinh thì cả vị trí và độ trơi đồng hồ của máy thu đều được ước lượng.
1.2.3.4. Sai số do chậm trễ ở tầng điện ly
Tầng điện ly là lớp khí quyển ở độ cao từ 50 đến 1000 km trên bề mặt trái đất. Nó chứa các electron tự do và các ion tích điện dương, là kết quả của sự ion hóa của các chất khí ở tầng điện ly gây bởi các tia cự tím. Vì tầng điện ly chứa rất nhiều các electron tự do nên ảnh hưởng rất lớn đến truyền sóng điện từ nói chung và tín hiệu GPS nói riêng. Những ảnh hưởng đó sẽ gây ra sai số được gọi là sai số do chậm trễ ở tầng điện ly.
Để giảm thiểu sai số gây ra bởi tầng điện ly, các thiết bị thu GPS cần phải sử dụng các mơ hình chậm trễ tầng điện ly. Mơ hình Klobuchar thường được sử dụng trong các thiết bị thu GPS. Mơ hình Klobuchar sử dụng các tham số truyền từ các vệ tinh và sẽ bù trừ được khoảng 50% sai số do chậm trễ ở tầng điện ly [13]. Kỹ thuật sai phân trong GPS cũng có thể được sử dụng để giảm thiểu sai số chậm trễ tầng điện ly do mối tương quan khơng gian của nó.
1.2.3.5. Sai số do chậm trễ ở tầng đối lưu
Tầng đối lưu tầng thấp nhất của khí quyển bao phủ từ bề mặt trái đất đến độ cao 50 km. Nó là một tầng khí quyển trung tính, khơng chứa đựng các electron tự do. Tín hiệu GPS bị chậm trễ khi đi qua tầng đối lưu chủ yếu là do hiện tượng khúc xạ. Sai số do sự chậm trễ này phụ thuộc vào chiết suất của khơng khí, khơng phụ thộc vào tần số. Sự chậm trễ ở đối lưu được được chia thành hai thành phần: thành phần khô và thành phần ướt. Thành phần khô chiếm 90% của sự chậm trễ tầng đối lưu và rất dễ dàng để dự đoán. Thành phần ướt chỉ chiếm 10% của sự chậm trễ đối lưu nhưng lại tương đối khó dự đốn do nó có thể biến đổi nhanh cả theo thời gian và không gian [13].
Tương tự như sai số do chậm trễ ở tầng điện ly, nhiều mơ hình được sử dụng để giảm thiểu sai số gây ra bởi tầng điện ly. Mơ hình được sử dụng tùy thuộc vào từng loại thu. Hai phương pháp phổ biến nhất là sử dụng mơ hình khí quyển của Hopfield và Saastamoinen [44].
1.2.3.6. Sai số đa đường truyền
Sai số đa đường truyền xảy ra khi máy thu GPS nhận được tín hiệu phản xạ từ một vệ tinh cùng với các tín hiệu trực tiếp. Sai số này rất phổ biến ở mơi trường đơ thị khi các tín hiệu được phản xạ từ các tịa nhà, mặt đất và các cấu trúc nhân tạo có tính phản xạ cao. Các tín hiệu phản xạ ln đến sau tín hiệu đường dẫn trực tiếp do chúng truyền với khoảng cách xa hơn. Sai số đa đường truyền là một trong những nguồn sai số GPS lớn nhất, đặc biệt là trong mơi trường tín hiệu yếu. Thật khó có thể dự đốn và bù trừ bởi vì nó phụ thuộc mơi trường. Do vậy sai số đa đường truyền không thể giảm nhẹ thông qua các kỹ thuật sai phân [50]. Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để giảm thiểu sai số này dựa trên thiết kế của máy thu và thiết kế anten. Hiệu ứng của đa đường truyền có thể giảm trong q trình thiết kế anten bằng cách loại bỏ một số tín hiệu phản xạ. Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền cũng có thể được giảm bớt trong các bước xử lý tín hiệu trong các máy thu.
1.2.3.7. Nhiễu máy thu
Tín hiệu GPS thu nhận đều bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngẫu nhiên, thường được gọi là nhiễu máy thu. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra nhiễu máy thu: nhiễu gây ra do anten, do các bộ khuếch đại, do các dây dẫn, do máy thu, do các nguồn thu phát khác v.v… Ảnh hưởng cùa nhiễu lên các phép đo tín hiệu GPS phụ thuộc vào cường độ của tín hiệu trong mối tương quan với cường độ nhiễu. Ảnh hưởng của nhiễu lên các giá trị đo mã của tín hiệu GPS có độ lớn cỡ 0,25 - 0,5 m, lên giá trị đo pha thì nhỏ hơn, cỡ 1 - 2 mm [41].