Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
2.3. CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐO GPS
Trong bài toán định vị GPS bản chất của nó là sự giao hội cạnh không gian từ các vệ tinh đã biết tọa độ. Các khoảng cách từ vệ tinh đến điểm xét được xác định theo thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu.
Xét trên phương diện xác định thời gian lan truyền tín hiệu thì ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu là rất lớn đến kết quả định vị. Không những thế với khoảng cách cỡ 20200 km từ vệ tinh đến mặt đất, thì tốc độ lan truyền tín hiệu khó tránh khỏi ảnh hưởng của tầng điện ly, tầng đối lưu…Ngoài ra kết quả định vị còn phụ thuộc vào sai số tọa độ của vệ tinh. Các sai số chủ yếu trong đo GPS và biện pháp khắc phục [1], [4]:
Hình 2.7: Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS 2.3.1. Sai số đồng hồ:
Sai số này là do quá trình chế tạo đồng hồ trên vệ tinh, trong máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng. Sai số này được đoạn điều khiển trên mặt đất theo dõi tại đó xử lý và phát đi các số hiệu chỉnh cho các máy thu theo tệp thông tin đạo hàng.
Để làm giảm ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
2.3.2. Sai số do quỹ đạo vệ tinh
Do nhiều nguyên nhân khác nhau như: Sự không đồng nhất của trọng trường trái đất ( phân bố vật chất trong lòng đất không đều, trái đất không tròn xoay, do thủy triều…), do bức xạ mặt trời, sức cản của khí quyển, hiệu ứng thuyết tương đối…làm cho sự chuyển động của vệ tinh bị nhiễu. Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể được xác định theo mô hình chuyển động, xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, do đó có chứa sai số.
Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến sai số xác định tọa độ điểm quan sát khi thực hiện định vị tuyệt đối điểm. Nhưng sai số này lại được loại trừ đáng kể trong bài toán định vị tương đối giữa hai điểm.
2.3.3. Sai số do lan truyền tín hiệu (ảnh hưởng của tần ion và tầng đối lưu) Ta biết rằng tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Với việc sử dụng hai tần số sóng tải khác nhau thì ảnh hưởng của tầng điện ly giảm đi đáng kể. Do vậy để đảm bảo độ chính xác định vị người ta sử dụng máy thu GPS hai tần số. Tuy nhiên khi hai điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do hai tần số kết hợp sẽ lớn hơn một tần số do vậy với các khoảng cách ngắn nên sử dụng máy thu một tần số. Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn 5-6 lần so với ban ngày. Bằng cách lựa chọn tần số của pha sóng tải fL1, fL2 ta sẽ khử được ảnh hưởng của tầng điện ly.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu phụ thuộc vào góc ngưỡng cao của vệ tinh, độ cao của điểm quan sát so với mặt nước biển, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất.
Sự ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể xem là gần giống nhau khi hai điểm quan trắc cách nhau cỡ vài chục km. Nếu lấy hiệu trị đo giữa hai điểm quan trắc thì ảnh hưởng của tầng này được giảm đáng kể. Trên thực tế để giảm ảnh hưởng
của tầng đối lưu khi đo GPS phải tiến hành đo độ ẩm, áp suất, nhiệt độ sau đó tính hiệu chỉnh vào các trị đo.
So với tầng điện ly, sai số do tầng đối lưu biến đổi chậm. Thông thường mức độ thay đổi theo thời gian không quá 1cm/s đối với các vệ tinh có góc cao trên 30o
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu quy định chỉ quan sát vệ tinh có góc 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời.
2.3.4. Sai số do lệch tâm pha anten và sai số do hiện tượng đa đường dẫn.
Ảnh hưởng của sai số lệch tâm pha anten phụ thuộc vào cấu trúc hình học của tâm anten, nó phụ thuộc vào góc cao và phương vị cũng như cường độ tín hiệu.
Hiện tượng đa đường dẫn là do anten của máy thu không chỉ thu tín hiệu truyền thẳng từ vệ tinh truyền tới máy thu, mà còn thu nhận cả tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Hiện tượng này làm nhiễu phản xạ của tín hiệu vệ tinh do đó làm nhiễu kết quả quan trắc.
Để làm giảm các sai số này các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo máy thu và anten. Đặt máy thu xa các vật dễ phản xạ tín hiệu và các trạm phát sóng, không thu tín hiệu vệ tinh lúc trời đầy mây đang mưa.
2.3.5. Ảnh hưởng của phân bố đồ hình vệ tinh
Độ chính xác của việc xác định vị trí điểm bằng công nghệ GPS tuyệt đối phụ thuộc trực tiếp vào đồ hình phân bố vệ tinh và thời điểm quan trắc. Sai số GPS từ đồ hình vệ tinh được gọi là hệ số suy giảm độ chính xác GDOP (Geometrical Dilution of Precision). GDOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác.
2.3.6. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips)
Khi đo GPS cần phải đảm bảo thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh tuy nhiên tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây
mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn. Do vậy để có tầm nhìn thông tới các vệ tinh cần quan sát đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với công tác đo GPS.
Khi sử dụng trị đo pha cần phải thu tín hiệu trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Mặc dù vậy đôi khi máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu ngay cả khi tầm nhìn vệ tinh thông thoáng bởi vì có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS. Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Một cách khác là dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ.
2.3.7. Các sai số do người đo
Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu đặt chính xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi. Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác. Đo chiều cao anten không đúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo. Ngay cả khi xác định tọa độ phẳng, đo chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại.