3.2.1 Giới thiệu
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Positioning System) là hệ thống đo đạc và dẫn đường bằng vệ tinh - xác định chính xác vị trí và thời gian thông qua việc sử dụng tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh, theo thời gian thực (RTK - Real Time Kinematic) hoặc theo kiểu xử lý sau (PP - Post Processing). Trong số rất nhiều ứng dụng của hệ thống GPS, sựđóng góp của nó vào cơ sở dữ liệu của hệ thống công nghệ thông tin địa lý (GIS - Geographical Information System) rất đáng kể. GPS đang được sử dụng khắp thế giới cho việc xác định tọa độ của các đặc tính địa lý quan trọng như là một đầu vào thiết yếu cho hệ thống GIS, bên cạnh đó nó còn ứng dụng trong đo đạc địa chính chính xác, dẫn đường cho các phương tiện giao thông trong thành phố và trên đường cao tốc bằng cách sử dụng hệ
thống tích hợp GPS-GIS,... .
GPS của NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning
System) được Bộ quốc phòng Hoa Kỳ (DoD - U.S. Department of Defense) triển khai nhằm thay thế hệ thống vệ tinh dẫn đường Hải quân TRANSIT (NNSS - Navy Navigation Satellite System) vào giữa những năm 90 . GPS là hệ thống định vị và dẫn đường với độ
chính xác cao trong mọi điều kiện thời tiết. Nó đã cách mạng hóa các lĩnh vực đo đạc hiện
đại, dẫn đường và vẽ bản đồ. Vì việc đo đạc diễn ra thường xuyên, GPS đã trở thành một kỹ thuật có tính cạnh tranh cao hơn các phương pháp sử dụng máy kinh vĩ, các thiết bị điện đo khoảng cách để đo đạc trên mặt đất. Trong bất kỳ lĩnh vực đo đạc nào, GPS có khả năng thay thế hầu hết những kỹ thuật hiện đang sử dụng cho việc xác định vị trí những điểm nằm ngang chính xác cách xa nhiều hơn vài chục kilomet, do vậy nó đã tạo nên cuộc cách mạng trong khái niệm đo đạc địa hình.
GPS là hệ thống gồm 24 vệ tinh trong những quỹđạo gần như tròn ở độ cao danh nghĩa là 20183 km. Hiện nay, nó cung cấp đầy đủ trung bình tối thiểu 4 vệ tinh ở bất kỳ nơi nào trên toàn cầu. Bằng cách nhận tín hiệu cùng một lúc từ tối thiểu 4 vệ tinh, người giám sát có thể xác định vị trí địa lý của mình (kinh độ, vĩ độ và độ cao), thời gian (UTC -
40
Coordinated Universal Time) và vectơ vận tốc với độ chính xác cao. Sử dụng GPS có
được tính kinh tế và cần ít thời gian hơn so với bất kỳ kỹ thuật nào khác sử dụng hiện nay. Cơ bản, GPS là một hệ thống dẫn đường - định vị thời gian thực. Tuy nhiên, với sự
chuyển đổi từ những kết quảđo đạc mặt đất - mặt đất đến những kết quảđo đạc mặt đất - không gian có khả năng được thực hiện bằng GPS (và các kỹ thuật đo đạc không gian khác), kỹ thuật này khắc phục được những giới hạn lớn của các phương pháp đo đạc mặt
đất như sự đòi hỏi phải nhìn thấy các trạm đo đạc, phụ thuộc vào thời tiết, những khó khăn khi quan sát ban đêm,... . Những lợi điểm này hơn các kỹ thuật thông thường, và tính kinh tế khi vận hành làm cho GPS trở thành kỹ thuật đo đạc hứa hẹn nhất. GPS có thể đạt được độ chính xác cao trong định vị điểm, với các điểm được cách nhau vài trăm met
đến vài trăm kilomet. Kỹ thuật đo đạc duy nhất này đã tìm ra những ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
3.2.2 Quá trình hình thành và phát triển hệ thống
TRANSIT (NNSS - Navy Navigation Satellite System), hệ thống dẫn đường vệ tinh hoạt động trước hệ thống GPS, được Hải quân Hoa Kỳ phóng từ năm 1958. Nó bắt đầu hoạt động vào năm 1964 và được đưa vào ứng dụng trong các hoạt động dân dụng năm 1967. Hệ thống gồm có 5 vệ tinh ở độ cao 1075 km, đang được hủy bỏ từng bước. Hệ
thống này đang được thay thế bởi hệ thống NAVSTAR GPS, được phóng vào năm 1972.
Đó là chương trình phục vụ kết hợp của không quân, hải quân, hàng hải và cơ quan bản
đồ quốc phòng Hoa Kỳ.
Hệ thống GPS đã bắt đầu hoạt động và ứng dụng một cách hoàn thiện cho những người sử dụng dân dụng vào trước giữa những năm 90.
Trong giai đoạn thử nghiệm, có 11 vệ tinh "Block I" đã được phóng lên từ năm 1978
đến năm 1985 nhưng chỉ có 10 vệ tinh được phóng thành công. Các vệ tinh này được phóng lên hai quỹđạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo, và cắt nhau một góc 600. Trong số 10 vệ tinh đó, chỉ còn 7 vệ tinh đang hoạt động tốt.
Giai đoạn triển khai, có 14 vệ tinh thuộc thế hệ vệ tinh "Block II" và "Block II- R"
được phóng từ tháng 2 / 1989 đến tháng 7 / 1992. Các vệ tinh được phóng lên hợp với 7 vệ tinh của "Block I" tạo thành chòm 21 vệ tinh. Trong đó có 18 vệ tinh hoạt động và 3 vệ
tinh dự phòng, phân bố trên 6 quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo và cắt nhau một góc 600 so với mặt phẳng kế cận.
Các vệ tinh thuộc thế hệ "Block III" đang được nghiên cứu để thay thế cho các vệ tinh trước. Hiện nay chòm vệ tinh đang được sử dụng cho hệ thống định vị trong dân dụng
41
gồm 24 vệ tinh phân bố trên 6 quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo và cắt nhau một góc 600 so với mặt phẳng kế cận.
3.2.3 Mô tả hệ thống định vị vệ tinh GPS a. Tổng quan
Hệ thống định vị toàn cầu NAVSTAR là hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh được phát triển từ năm 1972, cung cấp vị trí 3-D chính xác cao và thông tin UTC cho những người sử dụng được trang bị ở bất kỳ nơi nào trên hoặc gần trái đất trong bất kỳ thời gian nào, bất chấp điều kiện thời tiết. Tình trạng không rõ ràng vị trí của vệ tinh và nhiễu tín hiệu do những lý do bảo mật của U.S DoD và những nguồn lỗi khác được loại trừđể giới hạn
độ chính xác xác định vị trí tuyệt đối của trạm quan sát tới vài mét trong thời gian vài giờ. Tuy nhiên, những kiểu quan sát khác nhau và dữ liệu phân tích có khả năng sử dụng và
được phát triển sẽ đạt được độ chính xác tốt hơn vài milimet trong định vị tương đối với
đường đáy lên tới 2000 km, trong khoảng thời gian vài giờ, ở mức giá tối thiểu.
Hệ thống gồm có 3 phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Vệ
tinh phát liên tục những tín hiệu dẫn đường tần số kép gồm có lịch thiên văn vệ tinh và cách thức chạy đồng hồ được cài vào bộ nhớ của vệ tinh từ phần điều khiển. Phần người sử dụng nhận tín hiệu dẫn đường từ ít nhất 4 vệ tinh có khả năng sử dụng ở bất kỳ thời
điểm nào trên toàn cầu, cho phép người sử dụng cùng lúc giải quyết 4 phương trình cự ly khác nhau độc lập để xác định vị trí - kinh độ, vĩ độ, độ cao và thời gian UTC. Tính đa dụng, độ chính xác, mức lợi nhuận và việc tiết kiệm thời gian làm cho GPS là hệ thống rất phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau.
b. Các thành phần của GPS
Hệ thống định vị toàn cầu một cách cơ bản gồm 3 phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng.
Phần không gian (Space segment)
Phần không gian gồm 24 vệ tinh, trong 6 quỹđạo gần tròn có chu kỳ 12 giờ, ở độ cao danh nghĩa là 20183 km, mặt phẳng quỹđạo nghiêng một góc 550 so với mặt phẳng xích
đạo và cắt nhau một góc 600 so với mặt phẳng kế cận. Chòm vệ tinh bảo đảm có ít nhất 4 vệ tinh trong tầm nhìn từ một điểm bất kỳ trên trái đất ở bất kỳ thời gian nào cho việc
định vị 3-D và dẫn đường trên khắp thế giới. Những vệ tinh hướng vào trái đất, được điều khiển 3 trục sẽ liên tục phát dữ liệu dẫn đường và dữ liệu hệ thống gồm lịch thiên văn vệ
42
Hình 3.1 Mô hình GPS
Phần điều khiển (Control segment)
Có một trạm điều khiển chính (MCS - Master Control Station), vài trạm giám sát (MSs - Monitor Stations) và trạm cài dữ liệu (ULS - Up Load Station). Trạm giám sát MSs là những trạm có khả năng vận chuyển với những máy thu và máy tính; tất cả được đặt ở
Hoa Kỳ, theo dõi các vệ tinh một cách thụđộng, tích lũy dữ liệu khoảng cách từ tín hiệu dẫn đường. Dữ liệu này được chuyển tới cho trạm điều khiển chính MCS để xử lý bằng máy tính, cung cấp sự ước lượng tốt nhất cho vị trí vệ tinh, tốc độ và độ lệch đồng hồ
tương đối với thời gian hệ thống. Do vậy dữ liệu được xử lý tạo ra những thông tin được
định rõ về trường trọng lực bao gồm sự di chuyển của vệ tinh, các đặc tính áp suất của thái dương hệ, độ lệch đồng hồ, vị trí, các đặc tính trễ điện của các trạm mặt đất và các tính chất không rõ ràng khác của khả năng quan sát hệ thống. Những mẩu tin dẫn đường
Space segment Control segment User segment 3D position (Air) 2D position (Land) 2D position (Sea) Monitor station Control station Earth station
43
tương lai được tích hợp từ trường trọng lực này và cài đặt vào bộ nhớ của vệ tinh mỗi ngày một lần bằng trạm cài dữ liệu ULS - có một anten parabol, một bộ phát sóng vô tuyến và một máy tính. Vì vậy, vai trò của phần điều khiển là:
- Ước lượng lịch thiên văn của vệ tinh (SV - Space Vehicle) và cách thức hoạt động của đồng hồ nguyên tử.
- Dựđoán vị trí của vệ tinh và độ lệch đồng hồ.
- Cài đặt dữ liệu này cho các vệ tinh. Phần người sử dụng (User segment)
Thiết bị người sử dụng gồm có một anten, một bộ thu sóng vô tuyến, một bộ xử lý dữ
liệu với phần mềm và đơn vị điều khiển / hiển thị. Máy thu đo cự ly giả, pha và dữ liệu khác qua việc sử dụng tín hiệu dẫn đường từ tối thiểu 4 vệ tinh và tính toán vị trí 3-D, tốc
độ và thời gian hệ thống. Vị trí nằm trong hệ tọa độ địa lý thuộc hệ thống tọa độ tham chiếu cơ bản: hệ thống lưới tọa độ WGS84 (World Geodetic System 1984), được biến đổi và trình bày như một lưới địa lý, UTM hoặc bất kỳ một hệ trục tọa độ nào khác. Những sự
hiệu chỉnh như sự trễ do khúc xạ của tầng ion cũng được thiết bị người sử dụng tính toán và cung cấp.
c. Nguyên lý hoạt động
Mỗi vệ tinh GPS mang một đồng hồ nguyên tử với độ ổn định tốt hơn 10-14, được sử
dụng để tạo tín hiệu dẫn đường băng tần L trải phổ PRN tần số kép. Những mẩu tin này,
được vệ tinh phát liên tục trên mã P và mã C/A được điều chế trên tần số sóng mang L1, chứa đựng thông tin lịch thiên văn vệ tinh và độ lệch đồng hồ vệ tinh. Các trạm giám sát MSs đặt ở Hoa Kỳ nhận những mẩu tin này và chuyển đến trạm điều khiển chính MSC tính toán thông tin tương lai được cài đặt và lưu trữ trong bộ nhớ của vệ tinh để phát rộng rãi. Mục đích của mã là để nhận dạng riêng rẽ mỗi vệ tinh, cho phép đo thời gian truyền tín hiệu và từ chối sử dụng những người không được phép sử dụng.
Thiết bị người sử dụng nhận mẩu tin dẫn đường từ ít nhất 4 vệ tinh có khả năng sử
dụng trên đường chân trời ở bất kỳ nơi nào và ở bất kỳ thời điểm nào. Hiệu chỉnh mã thu
được với mã tương ứng được tạo ra từ máy thu cho phép người quan sát ở mặt đất đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu, từđó cự ly từ máy thu đến vệ tinh có thểđược tính toán. Nhận cùng lúc 4 tín hiệu dẫn đường từ 4 vệ tinh, chứa thông tin thời gian truyền mã có độ chính xác 10-9 giây và vị trí vệ tinh dựa vào lịch thiên văn được phát rộng rãi cho phép người quan sát định được 4 phương trình cự ly giả (cự ly thực và độ lệch đồng hồ người sử dụng) mà có thể được giải để có được 3 tham số của vị trí người quan sát
44
trong không gian 3 chiều (3-D), nghĩa là X, Y, Z trong hệ tọa độ địa tâm - gốc tọa độ là tâm trái đất, hoặc tương đương với kinh độ, vĩ độ và cao độ trên bề mặt elipsoid, và thời gian UTC.
Hiện nay, chòm vệ tinh GPS đã hoàn thiện, với 24 vệ tinh hoạt động. Vì vậy, tối thiểu 4 vệ tinh (trong hầu hết các trường hợp lên đến 6 - 8 vệ tinh) có thể nhìn thấy ở bất kỳ
thời gian nào từ bất kỳ vị trí nào trên trên đất, cho phép người khảo sát có được vị trí 3-D trong thời gian thực. Sự lựa chọn có giá trị các vệ tinh (SA-Selective Availability) – quá trình làm suy giảm độ chính xác thời gian và thông tin vị trí được truyền từ vệ tinh, diễn ra trong khi hoạt động, hạn chế độ chính xác định vị tuyệt đối khoảng 100 m trong thời gian thực. Tuy nhiên, trong những ứng dụng đo đạc, có thể cải tiến độ chính xác này ít nhất vài cm trong kiểu hậu xử lý, bằng cách lấy vị trí chính xác của những vệ tinh GPS từ
dữ liệu giám sát. Sự chống giả mạo (AS-Anti Spoofing) - từ chối mã P của những người sử dụng không hợp pháp, cũng đã được hoạt động, tuy nhiên tác động của nó lên độ chính xác định vị trong hậu xử lý không đáng kể.
3.2.4 Các phương pháp định vị
Trong vài năm hoạt động, GPS đã thực sự cách mạng hóa trong lĩnh vực đo đạc, với tiềm năng thay thế nhiều kỹ thuật đo đạc có từ trước hiện nay còn đang sử dụng. Những phương pháp định vị khác nhau bằng GPS bao gồm định vị tuyệt đối và định vị tương đối,
định vị tương đối sử dụng kỹ thuật GPS vi sai, và kỹ thuật đo đạc GPS động.
a. Định vị tuyệt đối
Trong kiểu định vị tuyệt đối, hệ trục tọa độ tuyệt đối của vị trí anten (được định tâm phía trên trạm khảo sát) - sử dụng máy thu GPS đơn, được xác định bằng phương pháp tương tự phương pháp loại trừ.
Những cự ly giả (khoảng cách từ vệ tinh đến anten, bịđộ lệch đồng hồ máy thu làm sai) từ tối thiểu 4 vệ tinh được khảo sát, mà từđó có thể xác định được 4 tham số chưa biết - vị trí 3-D của anten (x, y, z) và độ lệch đồng hồ máy thu. Độ chính xác đạt được từ
phương pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của những mẩu tin vị trí và thời gian được thu từ những vệ tinh. Với sự lựa chọn có giá trị các vệ tinh (SA) hoạt động, độ chính xác
định vị tuyệt đối trong thời gian thực bị giới hạn trong khoảng 100 m, mà có thểđược cải thiện đến mức vài cm bằng cách sử dụng hậu xử lý các thông tin quỹ đạo vệ tinh. Độ
45
b. Định vị tương đối
Trong kiểu định vị tương đối, với hai hay nhiều máy thu GPS cùng lúc khảo sát những vệ tinh như nhau, nhiều độ lệch chung gồm cả ảnh hưởng lớn của SA được loại trừ, tạo nên những định vị tương đối gồm hai hay nhiều máy thu có độ chính xác rất cao. Chiều dài đường đáy giữa hai trạm khảo sát, và vị trí tuyệt đối của một trong hai trạm có thểđạt
độ chính xác mức cm, nếu vị trí của trạm còn lại được biết chính xác, sử dụng phương pháp đo pha sóng mang. Trong kiểu khảo sát vi sai, sử dụng sự sai biệt đơn (sự khác biệt giá trị pha sóng mang từ hai máy thu đến cùng một vệ tinh), sự sai biệt kép (giữa các giá trị pha sóng mang từ hai máy thu đến hai vệ tinh) và sự sai biệt bộ ba (sự sai biệt của sai