B GIAO THÔNG V N T IỘ Ậ Ả
TR NG Đ I H C GIAO THÔNG V N T I TP.HCMƯỜ Ạ Ọ Ậ Ả
KHOA ĐI N-ĐI N T -VI N THÔNGỆ Ệ Ử Ễ
ỄŁv
Bài gi ngả
H TH NG Đ NH VỆ Ố Ị Ị
1
TP.HCM, 01/2010
2
Muïc Luïc
CHÖÔNG 1ÑÒNH VÒ KHOÂNG GIAN ......................................................................... 5
1.1giôùi thieäu .............................................................................. 5
1.2HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ voâ tuyeán ......................................... 5
1.2.1Caùc heä thoáng ñònh vò treân maët ñaát ............. 5
1.2.2Caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh ..................... 7
1.3lòch söû hình thaønh vaø phaùt trieån caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh ............... 9
CHÖÔNG 2HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ TOAØN CAÀU .............................................. 15
2.1Giôùi thieäU ........................................................................... 15
2.2CÔ SÔÛ ñònh vò trong heä thoáng GPS .................................. 15
2.2.1Cô sôû veà maët hình hoïc ........................... 15
2.2.2Cô sôû veà maët ñaïi soá ............................ 18
2.3Caáu truùc heä thoáng ñònh vò toaøn caàu GPS .................... 19
2.3.1Maûng heä thoáng caùc veä tinh GPS trong khoâng gian 20
2.3.2Maûng caùc traïm ñieàu khieån heä thoáng GPS ........ 22
2.3.3Maûng söû duïng heä thoáng GPS ...................... 23
2.4CAÁU TRUÙC TÍN HIEÄU VEÄ TINH ......................................... 23
2.4.1Ñaëc ñieåm tín hieäu GPS ............................ 23
2.4.2Caáu truùc tín hieäu veä tinh ....................... 24
2.4.3Thoâng ñieäp phaùt tín haøng haûi (baûn lòch veä tinh) 26
2.4.4Caùc trò ño pha vaø maõ ............................. 28
2.5Maùy thu GPS ........................................................................ 34
2.5.1Sô ñoà nguyeân lyù .................................. 34
2.5.2Caáu truùc maùy thu ................................. 35
2.5.3Phaân loaïi maùy thu ................................ 37
2.6HEÄ TOAÏ ÑOÄ, THAM CHIEÁU THÔØI GIAN GPS ..................... 40
2.6.1Giôùi thieäu heä toaï ñoä ........................... 40
2.6.2Heä toaï ñoä gaén vaøo traùi ñaát .................. 43
2.6.3Heä toaï ñoä quoác teá WGS 84 ....................... 45
2.7caùc tham chieáu thôøi gian vaø thôøi gian GPS .................... 47
2.7.1Caùc heä chia thôøi gian ............................ 48
2.7.2Giôø GPS ........................................... 49
2.8Quyõ ñaïo veä tinh GPS ......................................................... 50
2.8.1Caùc ñònh luaät Kepler .............................. 50
2.8.2Caùc quyõ ñaïo elip lyù töôûng ...................... 51
2.8.3Ñònh vò vaø quan traéc veä tinh ..................... 53
2.8.4Caùc thoâng soá treân quyõ ñaïo GPS ................. 54
CHÖÔNG 3SAI SOÁ ÑO GPS .................................................................................................. 57
3.1Giôùi thieäu chung ................................................................. 57
3.2Caùc sai soá töø maûng ñieàu khieån .................................... 60
3.2.1Sai soá quyõ ñaïo veä tinh ......................... 60
3.2.2Sai soá töø ñoàng hoà veä tinh ...................... 62
3.2.3Chính saùch S/A(Selective Availibility) vaø A/S (Anti-Spoofing) ........ 63
3.3Caùc sai soá phaùt sinh töø moâi tröôøng lan truyeàn tín hieäu voâ tuyeán .......... 63
3.3.1Treã taàng ñieän ly ................................. 63
3.3.2Treã treân taàng ñoái löu ........................... 68
3.3.3Ña ñöôøng truyeàn ................................... 73
3.4Sai soá treân maûng maùy thu .............................................. 77
3.4.1Sai soá treân trò ño treân ñoàng hoà vaø nhieãu töø maùy thu ........... 77
3.4.2Sai soá do söï dòch chuyeån taâm pha anten .......... 78
3.5AÛnh höôûng cuûa caáu hình veä tinh .................................. 79
3.5.1Khaùi quaùt ......................................... 79
3.5.2Xaùc ñònh giaù trò GDOP ............................ 82
3.5.3Giaûi phaùp khaéc phuïc ............................. 83
3.6TRÒ NHAÄP NHAÈNG CUÛA PHA SOÙNG MANG ...................... 83
3.6.1Pheùp loaïi tröø trò nhaäp nhaèng chu kyø ........... 83
3.6.2Trò soá tröôït chu kyø .............................. 84
3.7Caùc sai soá ño, sai soá toïa ñoä traïm ño .............................. 85
3.7.1Caùc sai soá ño ..................................... 85
3.7.2Moâ hình sai soá ño ................................. 85
3
3.7.3Toïa ñoä traïm ño ................................... 86
CHÖÔNG 4NGUYEÂN LYÙ ÑÒNH VÒ TREÂN MAÙY THU GPS ......................... 88
4.1Coâng thöùc toaùn hoïc ñeå tính khoaûng caùch giaû. ........... 88
4.2Xaùc ñònh toaï ñoä maùy thu ................................................ 89
4.2.1 Tuyeán tính hoùa phöông trình ...................... 89
4.2.2Giaûi phöông trình .................................. 91
4.2.3Tröôøng hôïp maùy thu quan traéc nhieàu hôn 4 veä tinh 92
CHÖÔNG 5CAÙC KYÕ THUAÄT ÑÒNH VÒ TRONG GPS ...................................... 93
5.1Maõ khoaûng caùch CR vaø pha soùng mang CP ................... 93
5.2Xöû lyù thôøi gian thöïc vaø xöû lyù sau ................................ 94
5.3Ñònh vò ñieåm vaø ñònh vò töông ñoái ................................. 95
5.3.1Ñònh vò ñieåm ....................................... 95
5.3.2Ñònh vò töông ñoái (Relative positioning) .......... 95
5.4Ñònh vò tónh vaø ñoäng ........................................................ 95
5.4.1Ñònh vò ñieåm tónh .................................. 96
5.4.2Ñònh vò ñieåm ñoäng ................................. 96
5.4.3Ñònh vò töông ñoái tónh ............................ 96
5.4.4Ñònh vò töông ñoái ñoäng ............................ 96
5.5CAÙC KYÕ THUAÄT ÑÒNH VÒ BAÈNG GPS TRONG THÖÏC TEÁ 97
5.5.1Ñònh vò ñieåm (tuyeät ñoái) ......................... 97
5.5.2Ñònh vò vi sai (DGPS) ............................... 97
5.5.3Caùc kyõ thuaät ñònh vò söû duïng trò ño pha soùng mang ............... 105
5.5.4Ñoä chính xaùc DGPS ................................ 107
5.5.5Ñöôøng truyeàn voâ tuyeán .......................... 107
CHÖÔNG 6ÑÒNH VÒ ÑOÄNG ............................................................................................. 109
6.1GIÔÙI THIEÄU ....................................................................... 109
6.2NGUYEÂN LYÙ HOaïT ÑoäNG CuûA ÑòNH Vò ÑoäNG ............. 109
6.2.1Caùc moâ hình ñònh vò ñoäng ........................ 111
6.2.2So saùnh caùc moâ hình ñoäng ....................... 112
6.2.3Xöû lyù thôøi gian thöïc vaø xöû lyù sau ........... 113
6.2.4Ñoä chính xaùc vaø thieát bò (Accuracy and Instrumentation) ........... 114
6.2.5Phaïm vi öùng duïng ................................ 115
6.3CAÙC öùNG DuïNG TREÂN PHÖÔNG TIeäN ÑÖôøNG Boä ..... 117
6.4CAÙC öùNG DuïNG TREÂN TAØU THUYeàN ........................... 118
6.5CAÙC öùNG DuïNG TREÂN MAÙY BAY ................................... 119
6.5.1Ño saâu Laser ...................................... 120
6.5.2Maùy bay GPS ñònh vò ñoäng vaø öùng laäp baûn ñoà haûi döông hoïc ..... 121
6.5.3ÖÙng duïng treân maùy bay tröïc thaêng laäp maët caét Laser ........... 122
4
CHÖÔNG 1 ÑÒNH VÒ KHOÂNG GIAN
1.1 GIÔÙI THIEÄU
Theo Vanicek vaø Krakiwsky (1986), ñònh vò laø xaùc ñònh vò trí cuûa
caùc vaät theå tónh hoaëc ñoäng trong khoâng gian. Thoâng thöôøng, vò trí
cuûa caùc vaät theå coù theå ñöôïc xaùc ñònh trong moät heä toaï ñoä
khoâng gian ba chieàu ñaõ ñöôïc ñònh nghóa tröôùc (goïi laø ñònh vò ñieåm
hay ñònh vò tuyeät ñoái) hoaëc theo nhöõng ñieåm ñaõ coù toaï ñoä xaùc
ñònh (goïi laø ñònh vò töông ñoái).
Phöông phaùp ñònh vò sô khai nhaát ñöôïc loaøi ngöôøi aùp duïng laø
phöông phaùp ñinh vò thieân vaên vaø ñöôïc ngöôøi coå xöa aùp duïng khi
tìm höôùng ñi trong caùc khu röøng, hay vaøo ban ñeâm,…Ban ñaàu
phöông phaùp naøy döïa treân vò trí caùc choøm sao treân baàu trôøi ñeå
xaùc ñònh vò trí treân maët ñaát. Sau ñoù noù ñöôïc phaùt trieån vaø caûi
tieán daàn thaønh moät phöông phaùp ñònh vò hoaøn chænh öùng duïng
trong nhieàu muïc ñích khaùc nhau.
Cuøng vôùi nhöõng tieán boä vöôït baäc trong lónh vöïc khoa hoïc kyõ
thuaät, nhieàu öùng duïng trong cuoäc soáng ñoøi hoûi caùc keát quaû
ñònh vò chính xaùc vaø thích nghi trong nhöõng ñieàu kieän khaùc nhau.
Nhieàu heä thoáng môùi söû duïng nhöõng phöông phaùp ñònh vò chính
xaùc vaø tin caäy hôn ñaõ ñöôïc nghieân cöùu vaø trieån khai öùng duïng.
Vôùi nhöõng öu theá vöôït troäi, caùc heä thoáng môùi naøy ñaõ nhanh
choùng thay theá caùc heä thoáng cuõ. Hai phöông phaùp ñònh vò khoâng
gian coù ñoä tin caäy cao vaø ñöôïc trieån khai öùng duïng roäng raõi trong
caùc heä thoáng ñònh vò hieän nay laø phöông phaùp ñònh vò quaùn tính
vaø phöông phaùp ñònh vò voâ truyeán.
Phöông phaùp ñònh vò voâ tuyeán ñöôïc phaùt trieån vaøo ñaàu nhöõng
naêm 40 laø moät phöông phaùp cho keát quaû ñònh vò coù ñoä chính
xaùc cao, phaïm vò öùng duïng roäng raõi vaø coù theå hoaït ñoäng trong
moïi ñieàu kieän thôøi tieát. Phöông phaùp naøy döïa treân caùc soùng voâ
tuyeán phaùt ñi ñeå xaùc ñònh toïa ñoä trong khoâng gian. Heä thoáng
ñònh vò ñaàu tieân ñöôïc Myõ xaây döïng treân bôø Baéc Ñaïi Taây Döông
vôùi caùc traïm voâ tuyeán ñaët raûi raùc treân maët ñaát trong moät khu
vöïc roäng lôùn. Heä thoáng naøy ñöôïc trieån khai öùng duïng ñaàu tieân
cho quaân ñoäi Myõ trong chieán tranh theá giôùi thöù hai. Caùc heä
thoáng naøy ñöôïc goïi laø caùc heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân maët
ñaát ñeå phaân bieät vôùi heä thoáng ñònh vò baèng veä tinh sau naøy.
1.2 HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VOÂ TUYEÁN
1.2.1Caùc heä thoáng ñònh vò treân maët ñaát
Treân phöông dieän lòch söû, caùc heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân
maët ñaát xuaát phaùt töø heä thoáng xaùc ñònh höôùng baèng soùng voâ
tuyeán, heä thoáng naøy coù teân goïi taét theo töø tieáng Anh laø RDF
(Radio Direction Finding ) vaø heä thoáng “Hyperbolic”. Caùc heä thoáng
ñònh vò naøy hoaït ñoäng treân moät nguyeân lyù chung laø duøng soùng
5