TT Mục tiêu cần đạt Giải pháp của hệ thống
GIS 1 Vận hành hiệu quả hệ thống thiết bị điện đang
ngày càng phát triển, mở rộng thêm, phục vụ khách hang.
+ Là nơi duy nhất lưu trữ báo cáo toàn bộ thông tin thiết bị tài sản trên lưới điện.
+ Cung cấp nô hình đại lý hệ thống mà các đơn vị chức năng có thể theo dõi 2 Phát triển mở rộng lưới điện để phục vụ khách
hàng và cung cấp thêm phụ tải mỗi năm.
+ Cung cấp các công cụ phân tích hệ thống cho các
công tác quy hoạch vĩ mô và tối ưu hóa thiết kế các công việc riêng biệt. +Theo dõi tài sản lưới điện từ khi lắp đặt đến lúc thay thế.
3 Đảm bảo đồng dạng hóa công nghệ thông tin (IT).
+Thiết kế hệ thống GIS theo kiểu phát triển tập trung sẽ tạo ra một mẫu nền chung giúp nhân viên công ty sử dụng.
4 Đẩy mạnh việc sản xuất kinh doanh của đơn vị . +Hệ thống GIS theo dõi việc sử dụng thiết bị trên toàn bộ vòng vận hành, là nguồn nguyên liệu tiêp tục các quy trình sản xuất. 5 Sử dụng đúng nhân công và quy mô tối ưu nguồn
nhân lực.
+GIS sẽ thay đổi công việc nhàm chán lặp lại và sẽ tiết kiệm nhân công đáng kể.
Chương 3: CƠ SỞ ĐỊNH VỊ GPS 3.1. Khái quát về GPS
GPS [3] có tên đầy đủ tiếng Anh là: NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác.
GPS là kết quả phối hợp của hai đề án độc lập đã bắt đầu vào đầu những năm 1960: chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của Không lực Mỹ. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào quỹ đạo vào năm 1973.
GPS (Global Positioning System) - Hệ thống định vị toàn cầu - là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh( tối thiểu) thì sẽ tính được toạ độ của vị trí đó.
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch từ năm 1980, GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất, 24 giờ một ngày.
3.1.1. Bộ phận không gian
Theo thiết kế ban đầu:
Vệ tinh GPS ở các quỹ đạo gần tròn. Góc nghiêng 55 độ.
6 mặt phẳng quỹ đạo.
4 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo. Độ cao 20200 km.
21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ.
Hiện nay số lượng vệ tinh tăng dần lên 32 cái( 2009).
3.1.2. Bộ phận trạm điều khiển
Để có thể theo dõi, quan trắc các vệ tinh GPS và truyền dữ liệu này về trạm điều khiển chính( Master Control Stration - MCS), hệ thống các trạm GPS được thiết kế và lắp đặt tại các vị trí khắp nơi trên thế giới. Đầu tiên, Không lực Mỹ đã đặt 5 trạm quan trắc tại Colorado Springs( Tây Bắc Mỹ), Hawaii( Đông Thái Bình Dương), Ascension( Nam Đại tây Dương), Diego Garcia( giữa Ấn ĐộDương) và Kwajalein( Tây Thái Bình Dương). Các trạm này được mang tên đầy đủ là Air-Force Tracking Station. Trong 5 trạm nói trên thì trạm Colorado Springs là trạm điều khiển chính.
Sau khi đưa 5 trạm nói trên vào hoạt động, Cục Bản đồ và ảnh Quốc gia Mỹ( NIMA – National Imagery and Mapping Agency) đã thiết lập bổ sung thêm 07 trạm quan trắc nữa tại Washington D.C( Đông Bắc Mỹ), Ecuador ( phía Bắc của Nam Mỹ), Argentina( phía Nam của Nam Mỹ), Anh( Tây âu),
Barain( Trung Đông Châu á), Bắc Kinh( Trung Quốc), Australia( phía Nam của Austrailia). Các trạm này có tên là NIMA Tracking Station.
3.1.3 Bộ phận người dùng
Là các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng lẫn phần mềm: Phần cứng có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị đo khoảng
cách từ máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo. Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin trên để cung cấp tọa độ
của máy thu.
3.1.4. Nguyên tắc hoạt động của GPS
Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn .
3.1.5 Độ chính xác của GPS
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song( của Garmin) nhanh chóng khoá vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ
này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS( có độ chính xác trung bình trong 15 m) Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai( Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ.
3.1.6. Ứng dụng
Hiện nay, cùng với các ưu điểm của GPS như các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay lục địa để ứng dụng định vị thời gian thực và vịtrí bất kỳkhông chỉtrên biển mà còn ởtrên mặt đất, trong không gian cho đối tượng đứng yên hay chuyển động và đặc biệt là có thểxác định vào bất cứ thời điểm nào trong 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết. GPS được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
Phục vụ trong các ngành giao thông: hàng hải, đường sắt, đường bộ. Giúp các tàu thuyền, xe cộ, tàu lửa có thể định vị, xác định vị trí khi
lưu thông dễ dàng.
Phục vụ trong ngành hàng không dùng để điều khiển hướng bay. Phục vụ trong lãnh vực viễn thám, GIS như xây dựng bản đồ, thu
thập các lớp dữliệu chuyên đề, giám sát các đối tượng di động, ứng dụng định vị địa lý, ứng dụng địa động lực học, theo dõi sự chuyển động của lớp vỏ trái đất, …
Trong đó, việc ứng dụng GPS trong lãnh vực Trắc Địa được xem là bước đột phá, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành này, giúp cải tiến phương pháp đo truyền thống như không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo, độ chính xác định vị cao và ngày một được cải thiện…
Bên cạnh đó còn có công nghệ đo động RTK giúp cho việc xác định vị trí của một đối tượng được dễ dàng và chính xác như ứng dụng GPS đo động trong công tác quản lý Taxi, tìm đường đi thông qua công nghệ bản đồ GPS MAP … GPS SOURCE QUÂN SỰ HÀNG KHÔNG GIAO THÔNG KHAI THÁC XÂY DỰNG NÔNG NGHIỆP HÀNG HẢI GIS
Hình 3.2 : Ứng dụng của GIS trong các ngành
3.2. Tín hiệu và trị đo GPS
3.2.1. Tín hiệu
Mỗi vệ tinh GPS phát cùng một loại tín hiệu trên hai tần số của quang phổ điện từ: L1 ở1575.42 MHz và L2 ở1227.60 MHz.[5]
Ở giải tần sóng cực ngắn này, tín hiệu truyền đi rất tập trung theo hướng phát và do đó dễ bị khóa và phản xạ từ các vật rắn và mặt nước. Tín hiệu dễ dàng xuyên qua các đám mây. Tín hiệu bao gồm 3 thành phần cơ bản:
Hai sóng L-Band.
Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải. Thông báo hàng hải.
3.2.2. Trị đo
Tín hiệu phát ra từ antenna GPS[5] là tín hiệu phức tạp trộn lẫn trên hai tần số sóng tải là hai mã đo khoảng cách C/A, P và thông báo hàng hải. Nhiệm vụ của máy thu là thực hiện một quá trình ngược( giải mã) với những gì đã diễn ra ở vệ tinh( mã hóa). Tức tách ra các thành phần từ tín hiệu phức hợp và máy thu sẽ cung cấp các trị đo khoảng cách dựa vào mã PRN và sóng tải.
3.2.2.1 Mã giả khoảng cách
Mã giả khoảng cách là “khoảng cách” giữa vệ tinh GPS ở thời điểm truyền tín hiệu nào đó và máy thu ở thời điểm nhận nào đó. Vì thời gian truyền và nhận tín hiệu khác nhau, không thể đo được khoảng
cách thực tế giữa vệ tinh và máy thu. Một định nghĩa cơ bản của trị giả khoảng cách pseudorange observable là:
ρ = ρTRUE + c (∆β-∆τ) (1.1)
ρ: là trị giả khoảng cách được tính từ phương trình thời gian ánh sáng
ρTRUE: là hiệu khoảng cách giữa vị trí của máy thu tại thời điểm nhận tín hiệu thật và vị trí của vệ tinh tại thời điểm truyền tín hiệu và cuối cùng là biases do sai số của đồng hồ.
3.2.2.2. Pha song tải
Pha sóng mang của tín hiệu, không yêu cầu truyền thông tin thực, được định nghĩa như sau:
ρФ = ρTRUE + c (∆δ-∆β) + Nλ (1.2) với:
ρФ = λФ (1.3)
Số chu kỳ N không được biết và khác nhau đối với mỗi bộ máy thu - vệ tinh. Chỉ cần kết nối giữa máy thu và vệ tinh bị phá vỡ, N giữ nguyên hằng số trong khi pha fractional beat thay đổi theo thời gian, vì bản chất nhập nhằng của N, có thể giải bài toán thông qua việc dùng mã giả khoảng cách hoặc việc ước lượng. Việc mất khóa tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu được xem như là "cycle slip". Nếu khoá tín hiệu được thiết lập trở lại, một sự nhập nhằng mới sẽ tồn tại và buộc phải giải bài toán theo cách tách biệt các trị nhập nhằng gốc.
3.3 Nguyên tắc định vị bằng vệ tinh
3.3.1. Công thức toán học
Định vị GPS tuyệt đối là một kiểu định vị GPS thường được sử dụng, chỉ dùng một máy thu GPS để quan trắc và xác định vị trí từ số liệu GPS quan trắc được.
Cấu trúc tín hiệu GPS cho phép máy thu xác định trực tiếp một khoảng cách giả pi. Đây là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu, cộng với một số sai số:
pi = c (tr-ts)
Trong đó:
- c là vận tốc ánh sáng( v=3*108 m/s) - ts là thời gian truyền từ vệ tinh; - tr là thời gian nhận mã của máy thu Mặt khác:
ρi = |rr − r𝒊| + c δr + εi
= √(𝒙𝒓 − 𝒙𝒊)𝟐+ (𝒚𝒓− 𝒚𝒊)𝟐+ (𝒛𝒓 − 𝒛𝒊)𝟐
Trong đó:
- rr là vị trí của máy thu; - ri là vịtrí của vệt tinh thứ i;
- (xi, yi, zi) là vị trí của vệ tinh( tính được từ dữ liệu bản lịch vệ tinh) trong WGS-84;
- (xr, yr, zr) là vị trí của máy thu( ẩn số cần xác định) trongWGS-84; - δr là độ trôi đồng hồ máy thu( ẩn số);
- εi là tổng các trị sai số liên hệ đến vệ tinh thứ i, đây là nhiễu tương quan hiện diện trong tín hiệu( đã được tính và biết trước từ dữ liệu GPS thô).
Đây là một phương trình phi tuyến 4 ẩn số. Do vậy toạ độ máy thu có thể được xác định khi có được ít nhất 4 phương trình. Khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh được xác định dựa trên pha sóng mang hoặc trên mã giả khoảng cách.
3.3.2. Cơ sở các định tọa độ máy thu từ số liệu đo GPS
Các hằng số liên quan sử dụng trong các công thức lý thuyết tính toán: - Vận tốc ánh sáng: c = 2.99792458 x 108 m/s.
- Hệ số vạn vật hấp dẫn của trái đất: μ= 3.986005*1014 m3/s2. - Tốc độ quay của trái đất: Ωe=7.2921151467*10-5 rad/s. - Bán trục chính của trái đất: a = 6378137.0 m
- Bán trục nhỏ của trái đất: b = 6356752.31m - π= 3.1415926535898.
3.3.3. Các chính sách bảo mật
a. Chính sách SA( Selective Availibility)
+ Thành phần tham số quĩ đạo ε tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng hải sao cho tọa độ vệ tinh không thể tính toán một cách chính xác. Tuy nhiên không nhận thấy ảnh hưởng này trên dữ liệu thực.
+ Thành phần số hiệu chỉnh đồng hồ δ làm “rung” tần số xuất của đồng hồ vệ tinh. Từ đó ảnh hưởng trực tiếp vào cả trị đo giả cự ly và trị đo pha. Sự tác động này làm cho đồng hồ vệ tinh xấu hơn 15-16 lần thông thường.
Theo các tài liệu tham khảo, tác động này làm độchính xác định vị tuyệt đối sai đến 100 m về mặt bằng và khoảng 150 – 170 m về độ cao. Tuy nhiên, qua kết quả khảo sát thực tế cho thấy độ chính xác định vị chỉ tệ hơn khoảng 3 lần. Và vào tháng 05 năm 2000, tổng thống Mỹ Bill Clinton đã tuyên bố ngừng chính sách này.
b. Chính sách AS( Anti - Spoofing)
+ Dưới tác động của chính sách [6] này, một mã W bí mật trộn vào mã P để tạo ra mã Y. Chỉ có những máy thu đặc biệt( quân sự) mới biết được cấu trúc của mã Y, do đó mới thu được đo giả cự ly trên mã này. Còn đối với các máy thu GPS thông thường chỉ thu được trị đo giả cự ly trên mã C /A( C1) và sóng tải L1, nghĩa là tương đương máy thu GPS một tần số.
Chính sách này bắt đầu áp dụng từ ngày 31 tháng 01 năm 1994 và cho tới nay, nó vẫn còn tồn tại. Các công ty sản xuất máy thu đã đầu tư rất nhiều công sức, thời gian và tiền của đểnghiên cứu các phương pháp giải mã trên tần số f2 mà không cần có kiến thức về cấu trúc mã Y. Cho đến hiện nay, có thể nói là họ đã thành công nhưng điều này làm cho giá thành của máy thu trở nên rất đắt tiền.
3.4. Các nguồn sai số
Các tín hiệu GPS nhận được từvệ tinh đến máy thu bị ảnh hưởng sai lệch bởi nhiều nguồn sai số khác nhau. Có 07 nguồn sai số chính [7] được liệt kê dưới đây:
3.4.1. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Bản lịch phát tín được phát ra và cập nhật liên tục bởi 5 trạm điều khiển chính trên mặt đất thì kết quả dự đoán dựa trên những thông tin được cung cấp trong quá khứ. Vì vậy, vị trí của các vệ tinh GPS được tính từ bản lịch phát tín thì sai khác so với vị trí thật sự mà vệ tinh di chuyển. Sự khác biệt này chính là sai số quĩ đạo vệ tinh. Trước khi chính sách SA( Selective Availibility) được bãi bỏ, sai số quĩ đạo bao gồm một sai số gọi là ε tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng hải sao cho tọa độ vệ tinh không thể tính toán một cách chính xác. Vì vậy, sai số của quĩ đạo vệ tinh rất lớn.
Lúc bấy giờ, độ chính xác của bản lịch phát tín quĩ đạo là khoảng 2m. Khi sử dụng dữ liệu quĩ đạo vệ tinh được cung cấp từ tổ chức IGS, thì sai số này giảm đi một cách đáng kể. Hiện giờ, theo thông báo từ tổ chức IGS cho biết, sai số quĩ đạo vệ tinh khi sử dụng các bản lịch phát tín từ tổchức này là 5cm.
3.4.2. Sai số đồng hồ vệ tinh
Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
Độ trôi đồng hồ nguyên tử vệ tinh gây ra các sai lệch về thời gian mà đồng hồ gởi về cho máy thu và làm cho chu kỳ dao động nội trên vệ tinh thay