intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chia sẻ: Phan Huy Khai | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:43

308
lượt xem
126
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS tập tài liệu "Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS" được biên soạn, nội dung gồm 3 chương sau đây: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS; Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS; Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation). Mời bạn đọc cùng các đồng nghiệp tham khảo.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS

  1. MỤC LỤC MỤC LỤC...................................................................................................................................................1 M Ở Đ ẦU 3 CHƯƠ NG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS...........................................................5 I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:........................................................................................................................5 I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): ....................................................................................6 I.1.2. Phần không gian (Space Segment): ......................................................................................6 I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: ........................................................................................................6 I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS .....................................................................................................6 I.1.3. Phần sử dụng (User Segment): ............................................................................................7 I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. ..........................................7 I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS. ...................................................................8 I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:...................................................................9 I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS..........................................................11 I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động. .......................................................................................11 I.3.2 Phép định vị tương đối. .........................................................................................................11 I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu..................................................................................................12 I.3.4 Phép định vị động tương đối ................................................................................................12 I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác. ...........................................................................13 I.3.6 Độ suy giảm chính xác. ........................................................................................................14 I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS...................................................................14 I.4.1 Sai số do đồng hồ. ................................................................................................................14 I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh ......................................................................................................14 I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu ...............................................................................15 I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:.......................................................................................................15 I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS..............................................16 1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đ ồ mặt đất..............................................................16 I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đ ất................................................17 I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: ............................................................17 I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên bi ển ...........................................17 I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không .........................................................18 I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không ..............................................................................18 I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian .......................................................................18 I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí........................................................................19 I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội ...............................................................................................19 I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 Đ ẾN NAY ............................................................................................................................................................19 I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai s ố đo: .................20 I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới: ...............................................21 I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS: ...........................................................................22 CHƯƠ NG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO ....................................................................................23 VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS..................................................................23 II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG. ......................................23 II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS. ..........................................24 II.3 ĐO GPS.............................................................................................................................................26 II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES)...............................................28 II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) ..................................................................................28 II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) ................................................................................30 1 / 43
  2. Ketnooi.com chia sẻ II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS....................................................33 II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.................................................35 CHƯƠ NG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGH Ệ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI K ẾT QU Ả ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA .....................................................36 (Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation) .....................................................................................36 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................................42 43 -2-
  3. Ketnooi.com chia sẻ MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn c ầu GPS đã đ ược đ ưa vào s ản xu ất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS c ủa hãng TRIMBLE lo ại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đ ồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu c ầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nh ất c ủa đ ất n ước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có kh ả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hi ện đ ược. Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các m ạng l ưới to ạ đ ộ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây d ựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và qu ần đảo xa ( kể c ả Tr ường Sa ) v ới m ạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền. Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có nh ững b ước phát tri ển r ất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số c ủa hãng TRIMBLE, đ ến nay ở Vi ệt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, t ừ máy thu đ ặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hi ện nay cũng r ất đa d ạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà n ước, độ chính xác cao, kho ảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định to ạ đ ộ tâm chính ảnh khi bay ch ụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao đ ịa chính c ấp 1; d ẫn đ ường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, đ ộ cao các đi ểm kh ống ch ế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc gi ới; xây dựng các m ạng l ưới công trình v.v... Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các tr ị đo GPS cũng đa d ạng, ch ủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hi ệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng. Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán k ết qu ả đo GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghi ệp tham kh ảo. Tập tài li ệu g ồm 3 chương sau đây: Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS. Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai k ết qu ả đo GPS. -3-
  4. Ketnooi.com chia sẻ Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai k ết qu ả đo GPS đ ể thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS c ủa Hãng Trimble Navigation) -4-
  5. Ketnooi.com chia sẻ CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh ti ếp theo sau h ệ th ống DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này b ắt đ ầu đ ược nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong nh ững năm đ ầu c ủa th ập k ỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự. T ừ đó các nhà khoa h ọc c ủa nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt đ ược nh ững thành qu ả cao nh ất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành t ựu này cho k ết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hi ệu và thiết lập các ph ần m ềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên th ế gi ới s ản xu ất đã đ ạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã gi ảm xu ống t ới m ức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế gi ới sản xu ất máy thu GPS bao g ồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường hi ện nay máy thu c ủa hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất. Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa d ạng hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một lo ại, đó là tín hi ệu v ệ tinh phát ra. Ch ế bi ến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có đ ược các tham số hình học và vật lý khác nhau c ủa trái đ ất. Chúng ta có th ể nói kh ả năng ph ần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính đ ược tọa đ ộ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m n ếu s ử d ụng l ịch v ệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), s ố gia t ọa đ ộ đ ịa lý (đ ộ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đ ến 2 cm), và s ố gia tr ọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có nh ững tham s ố khác đang đ ược nghiên cứu. Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING. Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment). -5-
  6. Ketnooi.com chia sẻ I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; m ột tr ạm đi ều khi ển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số li ệu (Upload Station). Lưới tr ắc đ ịa đ ặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đ ường đáy dài (VLBI). Tr ạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ c ủa các vệ tinh theo s ố li ệu c ủa 4 tr ạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số li ệu được gửi từ tr ạm trung tâm t ới 3 tr ạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 gi ờ các v ệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. I.1.2. Phần không gian (Space Segment): I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55 o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có th ể quan sát được 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các s ố 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên c ạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần s ố 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin v ề l ịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái c ủa vệ tinh này được quyết đ ịnh do 4 tr ạm đi ều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "ho ạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe". I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công vi ệc đ ịnh v ị là tần s ố 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, r ất m ạch l ạc và đ ược điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được bi ết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chu ỗi các s ố c ộng m ột và tr ừ m ột, đ ược phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau m ỗi mili giây đ ồng h ồ. Mã nhi ễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, đ ược phát đi ở tần s ố fo = 10,23 MHz. -6-
  7. Ketnooi.com chia sẻ Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này đ ược c ắt ra làm 38 đo ạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đ ến, 5 đo ạn dùng cho các tr ạm m ặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm gi ả vệ tinh (Pseudolite), còn l ại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì đ ược công b ố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình t ạo ra mã Y thì gi ữ bí m ật. Vì v ậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có gi ấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh c ủa h ọ) sẽ không thu đ ược mã P (hoặc mã Y). Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P ho ặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P ho ặc mã Y. Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách gi ản đ ơn có ý th ức. N ếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 180 0, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang gi ữ nguyên không thay đổi. Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người s ử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ li ệu này sẽ đ ược các máy thu gi ải mã và dùng vào việc xác định vị trí c ủa máy theo thời gian thực. I.1.3. Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất li ền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần s ố. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần s ố nh ận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần s ố phát huy tác d ụng trong đo t ọa đ ộ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đ ối v ới đ ộ chính xác t ừ 1 đ ến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với kho ảng cách lớn h ơn 50 km đ ộ chính xác s ẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những kho ảng cách dài đ ến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng c ủa t ầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần c ứng GPS ho ạt động trong h ệ th ống t ọa đ ộ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và α=1:29825722. I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong ph ần sử dụng. Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính: * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ -7-
  8. Ketnooi.com chia sẻ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuy ến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết b ị ngo ại vi c ần thi ết đ ể ho ạt đ ộng máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có th ể xách tay, tin c ậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ li ệu c ụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị ho ặc d ẫn đ ường đi h ữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác đ ộng khi c ần đ ể có th ể l ợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những ch ương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có th ể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự ti ến b ộ c ủa h ệ th ống t ới ng ười đi ều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những ch ương trình phát tri ển tính đ ộc l ập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố nh ư tính s ẵn sàng c ủa v ệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đ ến GPS nh ư: c ải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng c ủa ăngten khác nhau, hi ệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số li ệu, phát tri ển các h ệ thống liên kết truyền thông một cách tin c ậy cho các ho ạt đ ộng đ ịnh v ị GPS c ự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát tri ển trong lĩnh v ực giá c ả và hi ệu su ất thi ết bị. I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS. Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm: * Ăngten và bộ tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện * Thiết bị ghi chép * Nguồn năng lượng Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc lo ại chùm sóng rộng , vì vậy không c ần phải hướng tới ngu ồn tín hi ệu gi ống nh ư các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đ ặt trên ba chân ho ặc l ắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase c ủa ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa. -8-
  9. Ketnooi.com chia sẻ Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và k ết hợp s ố hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng nh ững k ỹ thu ật x ử lí tín hi ệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là : * Tương quan mã * Phase và tần số mã * Cầu phương tín hiệu sóng mang Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh bi ến đ ổi trong kho ảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau. Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các lo ại máy thu khác nhau cũng khác nhau. Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm đ ể ghi các tr ị s ố quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ nh ững tin hi ệu thu đ ược Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chi ều đi ện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn đi ện xoay chi ều. I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động c ủa hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi n ơi phát tín hi ệu chuy ển đ ộng. H ệ th ống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa đ ộ tuyệt đ ối c ủa m ột điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách". K ỹ thuật này đ ược mô tả bằng công thức: C .t + C . ∆t = (x s − x p ) 2 + (y s − y p ) 2 + (z s − z p ) 2 (1) ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất; c - Tọa độ sóng; t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu. ∆t - Số hiệu chỉnh thời gian. Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống ph ương trình sai s ố có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng đi ện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với đ ộ chính xác 10 m. N ếu k ết qu ả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có đ ược t ọa đ ộ tuy ệt đ ối m ặt đ ất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng k ể vì máy thu ch ỉ thu đ ược -9-
  10. Ketnooi.com chia sẻ lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác đ ịnh có đ ộ chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh c ủa hệ thống GPS có đ ộ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển đ ộng nh ư tàu bi ển, máy bay....) - Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đ ối GPS. Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công ngh ệ GPS đã đ ạt đ ược thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo t ọa đ ộ t ương đ ối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (v ới máy thu 2 t ần số). Chúng ta có công thức: S = Nλ + ϕλ (2) Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; ϕ: Pha của sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu. Từ công thức (2) chúng ta có: ϕ = (f/c).S - N (3) Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có th ể vi ết: ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Nsp (4) φs(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hi ệu; φp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hi ệu; Nsp - Số nguyên lần bước sóng. Từ các công thức trên ta suy ra: ϕ(t) = φs(t) - (f/c).Ssp - φp(t) + Nsp (5) Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta bi ểu di ễn d ưới dạng: ϕ(t) = - (f/c).Ssp - αp(t) + βs(t) + γ sp (6) Trong đó: αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (ch ủ yếu là s ố hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) - 10 -
  11. Ketnooi.com chia sẻ βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (ch ủ y ếu là s ố hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) γ sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do c ả vệ tinh và máy thu gây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm bắt đầu đo) Công thức (6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong k ỹ thu ật đo tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta ph ải tổ h ợp các tr ị đo sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p. I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động. Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại ho ặc các v ật th ể chuy ển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực t ế do ăngten tĩnh ho ặc đ ộng khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn. Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhi ều c ự li đến v ệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, gi ải nghi ệm từ nhi ều tr ị đo và nh ận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi ăngten chuyển đ ộng chúng ta ch ỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 c ự ly đ ược quan tr ắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo d ư th ừa. Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được ho ặc là một k ết qu ả theo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc m ới đều được sử lý sao cho có th ể c ải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các tr ị quan tr ắc có th ể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.Chúng ta gọi là nghi ệm x ử lý sau (postprocessed solution). Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm ki ếm nghi ệm theo th ời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại m ột th ời đi ểm. M ột chu ỗi các kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc c ủa ph ương ti ện l ưu thông ) có th ể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật ti ếp c ận b ằng đ ường cong trơn. I.3.2 Phép định vị tương đối. Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, c ần ph ải sử d ụng phép đ ịnh v ị t ương đ ối. Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đ ầu c ủa c ạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đ ạt đ ược đ ộ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các c ự ly quan tr ắc thường đ ồng nh ất v ới - 11 -
  12. Ketnooi.com chia sẻ nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu c ủa đường đáy. Các sai s ố này có th ể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng k ể khi xác đ ịnh tr ị s ố đ ịnh v ị t ương đối. Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning). Ý tưởng c ủa ki ểu đo này là s ử d ụng m ột máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh. Nếu không xuất hi ện trị s ố trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt h ơn 1 chu kỳ (20 cm) c ủa tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đ ối gi ữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý: * Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao h ơn nhi ều c ủa s ố đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác c ủa s ố đo mã. * Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép đ ịnh v ị GPS: l ập tam giác ảnh hàng không không dùng đến những đi ểm kh ống chế mặt đ ất. I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu. Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được c ải thi ện một cách đáng k ể khi m ột s ố máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, m ột m ạng l ưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với m ột c ạnh đo vì có s ố đo d ư th ừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những đi ều ki ện đ ược xác đ ịnh b ằng ph ương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để ki ểm soát ảnh h ưởng c ủa nh ững sai s ố khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các tr ị quan tr ắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên k ết các c ạnh đáy thi ết k ế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác c ủa các tr ị s ố đ ịnh v ị. Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui lu ật khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang ho ạt động và liên quan đ ến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn c ảnh nh ư v ậy, người ta c ần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đ ạt đ ộ chính xác t ốt nh ất b ằng những công cụ rẻ tiền nhất. I.3.4 Phép định vị động tương đối Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép đ ịnh vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, c ần ph ải dùng t ới khái ni ệm định vị phân sai (differential) tương đối. ý tưởng chính c ủa phép đo này là dùng m ột ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh t ại truy c ập nh ững vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển đ ộng truy c ập (t ốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Đ ộ chính xác đ ược coi là ph ụ thu ộc - 12 -
  13. Ketnooi.com chia sẻ vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động c ủa đồng h ồ. S ở dĩ có s ự khác nhau (t ức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những c ự li tính đ ược t ừ v ị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự bi ến đ ổi trông th ấy trong v ị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin qu ỹ đ ạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động c ủa đồng h ồ. Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) ho ặc sai số khép đ ộ dài t ới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong th ời gian th ực . K ết qu ả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những k ết qu ả tốt h ơn và vi ệc b ổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép đ ộ dài thay cho kho ảng l ệch v ị trí. Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao đ ộ chính xác và đ ộ tin c ậy c ủa phép định vị động. Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh gi ả đặt trên b ờ đ ể truy ền tín hi ệu và thông báo đã được mã hoá bằng cùng m ột cách gi ống nh ư nh ững gì đã đ ược truy ền qua vệ tinh. I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác. Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: c ấu hình hình h ọc vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc. Thành phần thông thường c ủa đ ộ chính xác đo đ ạc GPS là sai số đo dài tương đương c ủa người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp c ủa tính thiếu tin c ậy c ủa lịch thiên văn, sai s ố truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhi ễu trong máy thu. Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy gi ảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số gi ữa đ ộ chính xác đ ịnh v ị và độ chính xác đo, hoặc: σ = DOP. σo Trong đó σo là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chu ẩn) σ là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa đ ộ) DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động c ủa cấu hình hình h ọc đ ối v ới đ ộ chính xác của vị trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thu ộc chúng ta quan tâm đ ộ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp c ủa những tọa đ ộ. Các tr ị s ố DOP thường dùng nhất là: VDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ. HDOP. σo là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D. PDOP. σo là độ chính xác vị trí không gian 3D. TDOP. σo là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian. THDOP. σo là độ chính xác mặt phẳng và thời gian. - 13 -
  14. Ketnooi.com chia sẻ GDOP. σo là độ chính xác vị trí không gian 3D và th ời gian. Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn b ậc hai tổng bình phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói chung, m ỗi DOP đ ều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương c ủa kho ảng tin c ậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm. I.3.6 Độ suy giảm chính xác. Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học c ủa c ấu hình phân b ố v ệ tinh GPS. Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên c ường đ ộ c ấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên qu ỹ đạo c ủa chúng từ v ị trí này đ ến vị trí kia. Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác tr ị số đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác đ ịnh v ị là 50 m. N ếu tr ị DOP g ần b ằng đơn vị thì độ chính xác định vị c ủa chúng ta gần bằng đ ộ chính xác tr ị s ố đo 10 m (m ột tình huống may mắn nhất). I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS I.4.1 Sai số do đồng hồ. Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đ ồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khi ển trên mặt đất theo dõi và do đó n ếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu ch ỉ thị thông báo số c ải chính cho máy thu GPS biết để sử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ c ả c ủa vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng nh ư gi ữa các tr ạm quan sát. I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt đ ịnh lu ật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đ ồng nh ất c ủa tr ọng tr ường trái đ ất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và c ủa các thiên th ể khác, s ức c ản c ủa khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức thời c ủa v ệ tinh ch ỉ có th ể xác đ ịnh theo mô hình chuyển động được xây dựng trên c ơ sở các số li ệu quan sát từ các tr ạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khi ển c ủa hệ th ống GPS và đ ương nhiên có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý s ố li ệu quan sát cho chính các thời điểm nằm trong kho ảng thời gian quan sát và ephemerit đ ược ngo ại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, lo ại ephemerit thứ nhất có đ ộ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chính ph ủ Mỹ cho phép, còn lo ại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử d ụng. Sai s ố v ị trí c ủa v ệ tinh ảnh - 14 -
  15. Ketnooi.com chia sẻ hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơn riêng bi ệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai đi ểm. I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên m ặt đ ất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. T ốc đ ộ lan truyền tín hi ệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng đi ện ly và t ỉ l ệ ngh ịch v ới bình phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được lo ại trừ đáng k ể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế, đ ể đ ảm b ảo đ ịnh v ị v ới đ ộ chính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần s ố. Xong khi 2 đi ểm quan sát ở g ần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ l ớn hơn so v ới 1 tần s ố và do v ậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho trường hợp định vị ở kho ảng cách ngắn. Ảnh h ưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày. Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu t ố khí t ượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần nh ư nhau đ ối v ới hai đi ểm quan sát ở cách nhau không quá vài chục km và vì th ế s ẽ đ ược lo ại tr ừ đáng k ể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát. Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định ch ỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời. I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu: Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nh ận c ả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hi ện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm gi ảm sai s ố này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo c ủa c ả máy thu và ăng ten. Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số ch ủ yếu nêu trên cùng v ới ngu ồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các đi ểm quan sát ph ụ khác s ẽ có sai s ố 13 m với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này s ẽ là 50 m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số c ủa kho ảng cách từ m ỗi v ệ tinh đ ến đi ểm quan sát, chứ không phải là sai số c ủa bản thân vị trí đi ểm quan sát. Do v ị trí đi ểm quan sát đ ược xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác c ủa nó ph ụ thu ộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân b ố v ệ tinh so v ới đi ểm quan sát. để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai s ố kho ảng cách giao h ội nhân v ới một hệ số lớn hơn 1. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao h ội và đ ược g ọi là h ệ s ố phân tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP). Rõ ràng DOP càng nh ỏ thì v ị trí đi ểm quan sát được xác định càng chính xác. - 15 -
  16. Ketnooi.com chia sẻ Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình h ọc - GDOP, vì nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu t ố th ời gian t. H ệ s ố GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt. I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng v ới nh ững thu ật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công c ụ thích h ợp cho nhi ều nhi ệm v ụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể chia các ứng d ụng này làm 4 lo ại: - Đo đạc địa chính - Lập lưới khống chế trắc địa. - Theo dõi độ biến dạng cục bộ. - Theo dõi độ biến dạng toàn bộ. Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối kho ảng 10 -4. Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan tr ắc GPS. Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Đ ộ chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10 -6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các tr ị đo phase sóng mang GPS b ằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng kh ống chế thấp hơn (ví d ụ l ưới đo v ẽ b ản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS. Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, bi ến d ạng công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên c ự ly tới một vài km. Đ ối v ới nh ững ứng d ụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thi ếu ch ắc ch ắn trong s ự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hi ệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghi ệp tiêu bi ểu. Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau c ơ bản gi ữa vi ệc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở ch ỗ trong tr ường h ợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các qu ỹ đạo vệ tinh GPS, các tr ị th ời tr ễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác. - 16 -
  17. Ketnooi.com chia sẻ I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên m ặt đ ất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân d ụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong vi ệc xác đ ịnh các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí c ủa phương ti ện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thu ộc lo ại c ực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm ki ếm ho ặc c ứu hộ.... Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đ ạt đ ược n ếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động đ ể h ỗ tr ợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có th ể đ ược truy ền đ ến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình. I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí ch ỉ đ ịnh (Fix) ng ắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài kh ơi. Đ ối v ới công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đ ổi trong kho ảng t ừ một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp ứng các yêu c ầu này c ần phải sử d ụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau b ằng cách s ử d ụng các phép đo gi ả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo v ẽ b ản đ ồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao n ổi) và đo v ẽ các c ầu tàu và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hi ểm địa lý đáy bi ển (ví d ụ đo đ ịa ch ấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có th ể đ ược đáp ứng b ằng GPS. Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực c ủa trái đất...) đều có th ể dùng GPS làm công cụ định vị. I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương h ọc trên bi ển Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công c ụ dẫn đường hàng hải trên bi ển lý tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong kho ảng t ừ m ột vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (d ẫn h ướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng c ả phép đo gi ả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến vi ệc dẫn h ướng đi c ủa tàu thuy ền trên sông và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và c ứu h ộ ngoài kh ơi xa cũng s ẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đ ường đi. Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngo ại trong vật lý đ ại d ương cũng có th ể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase c ủa sóng mang bổ túc cho ta tốc đ ộ tàu thuy ền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên c ứu các dòng ch ảy c ủa đ ại d ương. - 17 -
  18. Ketnooi.com chia sẻ I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, h ệ đ ịnh v ị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh. Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác d ẫn đ ường bay kho ảng m ột vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ h ệ GPS. Phép xử lý sau v ới độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế k ỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt h ảo. Yêu c ầu v ề đ ộ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đ ổi trong kho ảng t ừ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau. Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể đ ược dùng đ ể đo v ẽ tr ực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí c ủa bộ c ảm biến (laze) đ ược biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và m ột vài mét v ề m ặt ph ẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo. Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một ki ểu đ ịnh v ị t ương t ự nh ư v ậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác đ ịnh thêm t ốc đ ộ c ủa b ộ c ảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực. Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi h ỏi đ ộ chính xác đ ịnh v ị b ộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng b ằng các s ố đo GPS. I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không qu ốc t ế đã s ử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân d ụng qu ốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và c ất, h ạ cánh. Ở Vi ệt nam t ừ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS. Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghi ệp và gieo tr ồng ngũ c ốc...), nh ững lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn c ủa hàng không mà ch ỉ c ần tri ển khai vi ệc v ận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng nh ững yêu c ầu chính xác v ề dẫn đường bay. I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm vi ệc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo nh ững máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này có qu ỹ đ ạo th ấp, vì v ậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho m ặt đ ất. Những ví d ụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo vi ễn thám b ằng v ệ tinh và phép đo đ ộ cao bằng rada. Các vị trí tọa độ c ủa vệ tinh nh ận đ ược t ừ các s ố đo GPS có th ể đ ược - 18 -
  19. Ketnooi.com chia sẻ dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo c ủa các phương ti ện không gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định v ị r ời r ạc trong đ ịnh v ị quỹ đạo bay. I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục gi ảm. Hi ện nay ở m ức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có th ể mua đ ược máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (nh ư đ ồng h ồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và đi ều dưỡng sẽ cung c ấp m ột th ị tr ường r ộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng. I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định v ị đi ểm theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm d ẫn h ướng hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là m ột b ộ ph ận c ủa nh ững h ệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các b ộ thu phát đ ể khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân. I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được c ải tiến khá nhi ều đ ể đ ạt đ ược các thành tựu mới về độ chính xác và về mở r ộng ph ạm vi k ỹ thu ật. Nói chung các thay đổi chủ yếu về kỹ thuật GPS là: • Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhi ều h ơn trên mỗi điểm đo; • Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đo ạn trong thu tín hiệu như trước đây; • Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian; • Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số nhi ễu tín hiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đ ặt quanh antenna; • Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao vi ệc h ạn ch ế sai s ố do quỹ đạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu. Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đ ến nay như sau: - 19 -
  20. Ketnooi.com chia sẻ I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các bi ện pháp h ạn ch ế sai s ố đo: Trong công nghệ GPS có một số ngu ồn sai số ch ủ yếu và các bi ện pháp kh ắc phục đã được áp dụng như sau: Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động ch ủ yếu vào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy, thông th ường to ạ đ ộ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác kho ảng t ừ 10 m tới100 m. Toạ độ này có vai trò rất quan trọng trong vi ệc tính toán gia s ố to ạ đ ộ ∆X, ∆Y, ∆Z của các base line. Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đối c ủa m ột đ ầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của ∆X, ∆Y, ∆Z có thể tăng thêm được 1 dm. Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong h ệ WGS-84 t ới c ỡ 2 m đ ể có đ ược các base line có độ chính xác cao. Đ ể kh ắc ph ục các sai s ố này ng ười ta đã s ử d ụng các biện pháp sau: Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời đi ểm đo: Lịch v ệ tinh chính xác có th ể có được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không ti ện dùng vì ph ải chờ đợi trong thời gian không ngắn. Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng qu ỹ đạo c ủa 32 v ệ tính có th ể hi ệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange m ới, đ ộ chính xác đạt được tới 1 m. Độ chính xác này đã được thử nghi ệm tại Vi ệt nam và đã so sánh k ết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ theo các base line t ừ 1 đi ểm g ốc toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS qu ốc tế. Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung c ấp theo công ngh ệ RTCM với các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định v ị c ố đ ịnh toàn cầu. Công nghệ này cũng đã được thử nghi ệm tại Vi ệt nam và cho đ ộ chính xác đ ạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo. Sai số do môi trường truyền sóng: Môi trường chuyền sóng gây nên 3 lo ại sai số chủ yếu trong quá trình sóng mang chuyển từ v ệ tinh t ới máy thu: Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai s ố do hi ện t ượng khúc x ạ tia sóng đi t ừ khoảng không vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai s ố này không gây ảnh h ưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên kho ảng cách dài. Đ ể khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc trên kho ảng cách dài. Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hi ện tượng khúc xạ tia sóng đi trong l ớp khí quyển gần mặt đất. Sai số này có tác động chủ yếu cho kho ảng cách ngắn mà không đáng kể trên khoảng cách dài. Trước đây người ta yêu c ầu đo nhi ệt đ ộ, áp su ất, đ ộ ẩm để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần mềm đã s ử d ụng s ố hi ệu ch ỉnh theo mô hình - 20 -
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2