Bài giảng Tổng quan về GPS

TOÅNG QUAN VEÀ GPS

NOÄI DUNG

 Giôùi thieäu veà Traéc ñòa veä tinh  Lòch söû traéc ñòa veä tinh  Öu vaø nhöôïc ñieåm cuûa traéc ñòa veä tinh  Khaùi quaùt caùc heä thoáng ñònh vò toaøn

caàu vaø khu vöïc

 Khaùi quaùt heä thoáng GPS  Caùc thaønh phaàn cuûa GPS  Tín hieäu vaø trò ño GPS  Caùc sai soá aûnh höôûng ñeán trò ño GPS  Caùc phöông phaùp ño GPS

GIÔÙI THIEÄU TRAÉC ÑÒA VEÄ TINH

Traéc ñòa veä tinh (Satellite geodesy) bao goàm caùc kyõ thuaät ño ñaïc vaø tính toaùn ñeå cho pheùp giaûi caùc baøi toaùn traéc ñòa baèng caùch duøng caùc trò ño chính xaùc töø veä tinh nhaân taïo, chuû yeáu laø caùc veä tinh gaàn maët ñaát.

Keå töø 1957, ñaõ coù khoaûng 6.600 veä tinh ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø öôùc coøn khoaûng 3.600 veä tinh ñang coøn treân quyõ ñaïo bay xung quanh Traùi Ñaát, trong ñoù khoaûng hôn 1.000 veä tinh ñang hoaït ñoäng.

GIÔÙI THIEÄU TRAÉC ÑÒA VEÄ TINH

Caùc baøi toaùn cô baûn trong traéc ñòa veä tinh:

Xaùc ñònh chính xaùc vò trí 3 chieàu trong phaïm vi ñòa phöông, vuøng vaø toaøn caàu (nhö thaønh laäp maïng löôùi khoáng cheá traéc ñòa)

Xaùc ñònh tröôøng troïng löïc cuûa traùi ñaát vaø caùc haøm tuyeán tính cuûa tröôøng troïng löïc (ví duï moät geoid chính xaùc)

Ño ñaïc vaø moâ hình caùc hieän töôïng ñòa ñoäng hoïc (ví duï: chuyeån ñoäng cöïc, chuyeån ñoäng quay cuûa traùi ñaát, bieán daïng cuûa lôùp voû cöùng traùi ñaát)

LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA TÑVT

Lòch söû phaùt trieån cuûa traéc ñòa veä tinh baét ñaàu vôùi vieäc phoùng veä tinh nhaân taïo ñaàu tieân cuûa Traùi Ñaát SPUTNIK-1 vaøo ngaøy 04-10-1957.

Giai ñoaïn töø 1958 ñeán 1970: phaùt trieån caùc phöông phaùp cô baûn cho vieäc quan traéc veä tinh, cho vieäc tính toaùn vaø phaân tích quó ñaïo veä tinh. Nhöõng heä thoáng veä tinh ñònh vò tieâu bieåu ñöôïc phoùng trong giai ñoaïn naøy laø TRANSIT (Myõ, 1961), TSIKADA (Lieân Xoâ cuõ).

Giai ñoaïn 1970-1980: phaùt trieån caùc ñoà aùn khoa hoïc, caùc kyõ thuaät ño môùi ñöôïc phaùt trieån vaø tinh loïc nhö heä thoáng TRANSIT ñöôïc söû duïng cho ñònh vò Doppler. Ñoàng thôøi, phoùng thaønh coâng hai heä thoáng ñònh vò veä tinh theá heä môùi laø GPS cuûa Myõ vaø GLONASS cuûa Lieân Xoâ cuõ.

LÒCH SÖÛ PHAÙT TRIEÅN CUÛA TÑVT

Giai ñoaïn 1980-1990: öùng duïng caùc kyõ thuaät veä tinh vaøo traéc ñòa. Caùc phöông phaùp veä tinh ngaøy caøng ñöôïc coäng ñoàng traéc ñòa söû duïng roäng raõi thay cho caùc phöông phaùp truyeàn thoáng.

Giai ñoaïn 1990-2000: cung caáp caùc dòch vuï quoác gia vaø quoác teá coù tính chaát laâu daøi, IERS ñeå duy trì chuaån thôøi gian toaøn caàu, ICRF duy trì vò trí chính xaùc cuûa Traùi Ñaát vaø IGS cung caáp döõ lieäu toïa ñoä GPS chính xaùc cao.

Giai ñoaïn 2000 ñeán nay: traûi qua hôn 40 naêm hình thaønh vaø phaùt trieån, lónh vöïc traéc ñòa veä tinh böôùc vaøo giai ñoaïn hieän ñaïi hoùa, ñoä chính xaùc caû veà khoâng gian laãn thôøi gian khoâng ngöøng ñöôïc caûi thieän.

SPUTNIK 1

Laø moät hình caàu baèng nhoâm coù ñöôøng kính 58cm, gaén 4 anten daøi 2.4 ñeán 2.9 m. Troïng löôïng 83.6kg bao goàm beân trong hình caàu laø boä phaùt tín hieäu chu kyø 0.3 giaây, boä phaän ghi nhaän nhieät ñoä beân trong vaø treân hình caàu. Boä phaùt tín hieäu chæ trong 3 tuaàn cho ñeán khi heát pin, nhöng ñuû ñeå KT hieäu öùng Doppler.

Sputnik 1 hoaït ñoäng 92 ngaøy, ñaõ hoaøn taát 1400 voøng quanh traùi ñaát vôùi quaõng ñöôøng ~ 70 trieäu km.

HEÄ THOÁNG TRANSIT VAØ TSIKADA

 TRANSIT

 Laø heä thoáng veä tinh ñònh vò ñaàu tieân ñöôïc ñöa vaøo vaän haønh  Hoaït ñoäng töø naêm 1964 ñeán naêm 1996  Ñieån hình coù 4-6 veä tinh ôû ñoä cao 1.075 km  Heä thoáng quaân söï cuûa Myõ

 TSIKADA

 Cuûa Lieân xoâ cuõ, töông ñöông vôùi TRANSIT  Laø heä thoáng daân söï duøng trong ñònh vò, daãn ñöôøng  Veä tinh ñaàu tieân ñöôïc ñöa leân quyõ ñaïo vaøo naêm 1974, vaän haønh hoaøn

chænh vaøo 1978, hoaït ñoäng ñeán 1995

 Bao goàm 4 veä tinh bay ôû quyõ ñaïo taàm thaáp, khoaûng 1.000km  Coù ñoä chính xaùc töø 50 – 100m

ÖU ÑIEÅM CUÛA TÑVT

Caùc veä tinh coù theå ñöôïc quan saùt treân moät vuøng laõnh thoå roäng lôùn nhö quoác gia hay luïc ñòa, trong khi phöông phaùp truyeàn thoáng chæ khoáng cheá ôû khu vöïc nhoû heïp. Khoâng ñoøi hoûi tính thoâng höôùng giöõa caùc traïm ño nhö ôû phöông phaùp truyeàn thoáng Coù theå öùng duïng ñeå ñònh vò ôû thôøi gian thöïc vaø vò trí baát kyø: treân ñaát, treân bieån vaø trong khoâng gian cho ñoái töôïng ñöùng yeân hay di chuyeån. Coù theå ño 24h/ngaøy trong moïi ñieàu kieän thôøi tieát. Ñoä chính xaùc ñònh vò cao vaø ñang ngaøy caøng ñöôïc caûi thieän Ngöôøi söû duïng khoâng caàn quan taâm ñeán vieäc ñieàu haønh heä thoáng.

NHÖÔÏC ÑIEÅM TÑVT

Giaù thaønh coøn töông ñoái cao so vôùi caùc thieát bò truyeàn thoáng. Ngöôøi ño phaûi coù nhöõng kieán thöùc nhaát ñònh veà GPS vaø nhöõng kieán thöùc naøy khoâng ñöôïc thöøa höôûng töø nhöõng thieát bò ñònh vò truyeàn thoáng. Phaïm vi söû duïng giôùi haïn ôû nhöõng khu vöïc coù ñoä phuû cao, coâng trình ngaàm,…

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 GLONASS

 Do Lieân Xoâ phaùt trieån ñeå thay theá Tsikada keå töø naêm 1976  Ñöôïc xaây döïng hoaøn chænh

vaøo naêm 1995

 Sau khi Lieân Xoâ suïp ñoå, heä thoáng khoâng ñöôïc duy trì (naêm 2001 chæ coøn 6 veä tinh treân quyõ ñaïo).

 Phuïc hoài hoaøn chænh keå

töø 2009 (ñuû 24 veä tinh, phuû soùng toaøn caàu).

 Hieän luoân luoân duy trì 24 veä traïng thaùi vaän haønh toång

tinh ôû (tính ñeán 2/2016, coù coäng 29 veä tinh treân quyõ ñaïo

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 GLONASS

 Caàn coù 18 veä tinh ñeå phuû truøm tín hieäu treân laõnh thoå nöôùc Nga vaø 24 veä tinh ñeå phuû kín toaøn caàu.  Ngaøy 14-15/2/2014, coù 9 veä tinh bò söï coá veà kyõ thuaät lieân quan ñeán phaàn meàm

 Ngaøy 19/2/2016, coù 3 veä tinh bò söï coá veà kyõ thuaät, trong ñoù coù 1 veä tinh pin phaùt noå.

 Keå

duïng

bieán

töø 2012, GLONASS laø heä thoáng ñònh vò toaøn caàu thöù 2 ñöôïc söû treân phoå smartphone sau GPS.

 Ñoä chính xaùc coù theå ñaït ñeán 2m

khi duøng smartphone.

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 GPS

 Ñöôïc Boä Quoác Phoøng Myõ phaùt trieån duøng ñeå thay theá TRANSIT

 Döï aùn ñöôïc khôûi ñoäng töø 1973, ñeán 1993 thì coù ñuû 24 veä tinh treân quyõ ñaïo vaø chính thöùc vaän haønh hoaøn chænh töø 4/1995

 Ñeán thaùng 6/2016, ñaõ coù toång coäng 32 veä tinh treân quyõ ñaïo.

 Hieän ñang tieáp tuïc

ñöôïc hieän ñaïi hoùa

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 GPS

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 BEIDOU/COMPASS

tinh ñònh vò cuûa

 Laø heä veä Trung Quoác

trình hoaøn

 Ñang trong quaù

thieän, goàm 03 giai ñoaïn:  Beidou-1: goàm 03 veä tinh vôùi vuøng phuû vaø moät soá öùng duïng haïn cheá treân laõnh thoå Trung Hoa vaø caùc nöôùc laân can, khôûi ñoäng töø naêm 2000;

 Beidou-2 (Compass): phaùt trieån thaønh heä thoáng veä tinh ñònh vò toaøn caàu vôùi 35 veä tinh ñeán naêm 2020;

 Beidou-3: khôûi ñoäng töø giöõa naêm 2015, vôùi muïc tieâu hieän ñaïi hoùa caùc veä tinh ñaõ ñöôïc phoùng tröôùc ñoù vaø hoaøn chænh heä thoáng ñònh vò toaøn caâu.

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG VAÄN HAØNH

 BEIDOU/COMPASS

 Baét ñaàu vaän haønh chính thöùc töø naêm 2011 vôùi 10 veä tinh

 Ñeán thaùng 12/2012 ñaõ phuû truøm khu vöïc Chaâu AÙ Thaùi Bình Döông.

 Hieän nay

(ñeán thaùng 6/2016) ñaõ coù 21 veä tinh treân quyõ ñaïo (veä tinh môùi nhaát ñöôïc phoùng leân vaøo ngaøy 12/6/2016).

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG PHAÙT TRIEÅN

 GALILEO

 Ñöôïc xaây döïng vaø phaùt trieån bôûi caùc nöôùc EU vaø ESA (cô quan haøng khoâng vuõ truï chaâu AÂu).  Truï sôû ñaët ôû Praha

(Coäng hoøa Seùc).

cuûa Myõ

 Muïc tieâu chính laø cung caáp caùc dòch vuï ñònh vò chính xaùc cao cho caùc nöôùc EU, ñoäc laäp vôùi GPS vaø GLONASS cuûa Nga. Ñoàng thôøi dòch vuï chính xaùc thaáp, mieãn phí ñöôïc phoå bieán roäng raõi cho moïi ngöôøi.

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG PHAÙT TRIEÅN

 GALILEO

 Veä tinh ñaàu tieân ñöôïc phoùng leân

quyõ ñaïo vaøo 12/2005

 Theo keá hoaïch ban ñaàu, ñeán naêm 2010 seõ hoaøn chænh vôùi 30 veä tinh vaø baét ñaàu vaän haønh vaøo naêm 2014. Tuy nhieân, vôùi tình hình kinh teá khoù khaên, heä thoáng naøy seõ khoù hoaøn thaønh tröôùc 2020.

 Hieän nay (ñeán thaùng 6/2016) coù 12 veä tinh ñang hoaït ñoäng treân quyõ ñaïo vaø 02 veä tinh vöøa phoùng 5/2016

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH TOAØN CAÀU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)

CAÙC HEÄ THOÁNG ÑANG PHAÙT TRIEÅN

 DORIS

 Laø heä thoáng cuûa Phaùp, do CNES phaùt trieån vaø khai thaùc.  Goàm 2 chöùc naêng: xaùc ñònh quyõ ñaïo caùc veä tinh vaø ñònh vò veä tinh.  Coù ñoä chính xaùc ñònh vò thaáp hôn GPS.

 IRNSS

 Thuoäc quyeàn sôû höõu cuûa AÁn Ñoä, laø heä thoáng phuïc vuï khu vöïc AÁn Ñoä

Döông.

 Ñoä chính xaùc 10m  Phoùng veä tinh ñaàu tieân vaøo 01/7/2013  Coù toång coäng 07 veä tinh ñòa tónh (laàn phoùng cuoái laø 28/4/2016).

 QZSS

 Laø heä thoáng goàm 04 veä tinh cuûa Nhaät Baûn.  Nhieäm vuï chính laø chuyeån tieáp tín hieäu veà thôøi gian vaø taêng cöôøng ñoä

chính xaùc cho caùc veä tinh GPS treân laõnh thoå nöôùc Nhaät.

 Veä tinh ñaàu tieân ñöôïc phoùng vaøo 9/2010.

BAÛNG SO SAÙNH TOÅNG HÔÏP

GPS GLONASS Beidou/COMPASS Galileo IRNSS (NAVIC) Myõ Nga Trung Quoác EU AÁn Ñoä Sôû höõu

CDMA FDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA

20.180 km 19.130 km 21.150 km 23.220 km 36.000 km Maõ tín hieäu Ñoä cao bay 11h 58m 11h 16m 12h 38m 14h 05m - Chu kyø

2-4 GHz

29 (24 vaän haønh) 07 ôû quyõ ñaïo GEO Soá veä tinh Luoân coù 24 hoaït ñoäng. (32 treân quyõ ñaïo) 05 ôû quyõ ñaïo GEO, 30 ôû quyõ ñaïo MEO (hieän coù 20)

1,57542 GHz (L1 signal) 1,2276 GHz (L2 signal)

khoaûng 1,602 GHz (SP) khoaûng 1,246 GHz (SP)

1,561098 GHz (B1) 1,589742 GHz (B1-2) 1,20714 GHz (B2) 1,26852 GHz (B3)

Taàn soá

Ñang vaän haønh Chöa vaän haønh Traïng thaùi Ñang vaän haønh, chuaån bò chuyeån qua CDMA 22 veä tinh ñang vaän haønh 40 veä tinh seõ ñöôïc boå sung giai ñoaïn 2016 - 2020 12 veä tinh, 22 veä tinh seõ phoùng trong töông lai 1,164–1,215 GHz (E5a and E5b) 1,260–1,300 GHz (E6) 1,559–1,592 GHz (E2-L1-E11) 08 veä tinh ñang hoaït ñoäng, 22 veä tinh seõ ñöôïc boå sung giai ñoaïn 2016 - 2020

MOÄT SOÁ HÌNH AÛNH

Veä tinh TRANSIT Moâ hình veä tinh GLONASS-K

MOÄT SOÁ HÌNH AÛNH

Phoùng veä tinh GALILEO Veä tinh GPS

GLONASS

saùch

cuûa

 Ñöôïc vaän haønh bôûi löïc löôïng Phoøng khoâng, khoâng quaân, Lieân Bang Nga  Do Lieân Xoâ xaây döïng keå töø naêm 1976, hoaøn chænh vaøo naêm 1995 nhaèm thay theá Tsikada vaø ñoái troïng vôùi Myõ  Trong nhöõng naêm 2000, döôùi chính Putin, GLONASS daàn daàn ñöôïc phuïc hoài toaøn boä  Ñeán 2008 ñaõ phuû laõnh thoå Nga, 2010 phuû toaøn caàu vôùi 24 veä tinh.

GPS LAØ GÌ? Teân ñaày ñuû: NAVigation Satellite with Time and Ranging Global Positioning System. Laø moät heä thoáng daãn ñöôøng baèng soùng radio döïa vaøo caùc veä tinh ñeå cung caáp thoâng tin veà vò trí 3 chieàu vaø thôøi gian chính xaùc. Heä thoáng luoân luoân saün saøng treân phaïm vi toaøn caàu vaø hoaït ñoäng trong moïi ñieàu kieän thôøi tieát. GPS laø keát quaû phoái hôïp cuûa hai ñeà aùn ñoäc laäp ñaõ baét ñaàu vaøo ñaàu nhöõng naêm 1960: chöông trình TIMATION cuûa Haûi quaân Myõ vaø ñeà aùn 621B cuûa Khoâng löïc Myõ. Veä tinh GPS ñaàu tieân ñöôïc phoùng vaøo quó ñaïo vaøo naêm 1973 (thöû nghieäm) nhaèm thay theá cho heä thoáng TRANSIT ñaõ hoaït ñoäng hôn 20 naêm. GPS tröôùc heát laø moät heä thoáng daãn ñöôøng phuïc vuï cho quaân söï, ñöôïc thieát keá, hoã trôï taøi chính, khai thaùc vaø ñieàu khieån bôûi Boä Quoác Phoøng Myõ. GPS saün saøng cho söû duïng daân söï vaøo naêm 1984. Hieän nay GPS ñöôïc söû duïng mieãn phí cho coäng ñoàng daân söï nhöng ôû moät möùc ñoä giôùi haïn.

CAÙC THAØNH PHAÀN CUÛA GPS

 Maûng KHOÂNG GIAN

 Maûng ÑIEÀU KHIEÅN

 Maûng NGÖÔØI SÖÛ DUÏNG

HEÄ THOÁNG VEÄ TINH GPS

Theo thieát keá ban ñaàu:  ÔÛ caùc quó ñaïo gaàn troøn  Goùc nghieâng 55 ñoä so vôùi maët

phaúng xích ñaïo

 6 maët phaúng quó ñaïo  4 veä tinh treân moãi maët phaúng quó

ñaïo

 Chu kyø laø 11h58m  Ñoä cao 20200 km  Veä tinh GPS theá heä ñaàu tieân ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaøo ngaøy 22/2/1978 (hoaït ñoäng chính thöùc). Hieän nay coù 32 veä tinh

NHIEÄM VUÏ CUÛA VEÄ TINH GPS

Caùc chöùc naêng chính cuûa veä tinh bao goàm:

Thu nhaän vaø löu tröõ döõ lieäu ñöôïc truyeàn töø maûng ñieàu

khieån

Cung caáp thôøi gian chính xaùc baèng caùc chuaån taàn soá

nguyeân töû ñaët treân veä tinh

Truyeàn thoâng tin vaø tín hieäu ñeán ngöôøi söû duïng treân

moät hay hai taàn soá

VEÄ TINH GPS

Block IIF

Block II

Block IIR

trieäu USD (hieän nay khoâng coøn treân quyõ ñaïo)

 Block I naëng 770kg phoùng töø 1978-1985 tuoåi tho 4.5 naêm, giaù khoaûng 20

10 naêm, giaù khoaûng 25 trieäu USD (coù 12 veä tinh treân quyõ ñaïo)

 Block II (1989 – 1990) &IIA (1990 – 1997) naëng khoaûng 1600-1800kg phoùng töø 1989, tuoåi thoï 7.5 naêm, giaù khoaûng 50-40 trieäu USD, ñöôïc trang bò 2 ñoàng hoà nguyeân töû Cesium (hieän nay coøn 6 veä tinh Block IIA)  Block IIR (1997 – 2004) naëng 2030kg ñeå thay theá block II&IIA, tuoåi thoï

 Block IIR-M ñöôïc phoùng töø 2005 – 2009 (coù 7 veä tinh treân quyõ ñaïo)  Block IIF phoùng töø 2010, tuoåi tho 12.5 naêm, naëng 1545kg (7 veä tinh)  Block III coøn ñang trong giai ñoaïn thieát keá, döï ñònh phoùng töø 2016

VEÄ TINH GPS BLOCK IIR-M (16) PHOÙNG VAØO 12-2006

Plane

Slot

PRN Type SC Launch date Input date Outage date Active life (months)

Notes

A

B

C

D

E

F

1 2 3 4 6 1 2 3 4 5 1 2 3 4 6 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5

9 31 8 7 27 16 25 28 12 30 29 3 19 17 6 2 1 21 4 11 20 22 5 18 32 10 14 15 13 23 26

II-A IIR-M II-A IIR-M II-A II-R II-F II-R IIR-M II-A IIR-M II-A II-R IIR-M II-A II-R II-F II-R II-A II-R II-R II-R IIR-M II-R II-A II-A II-R IIR-M II-R II-R II-A

26.06.93 25.09.06 06.11.97 15.03.08 09.09.92 29.01.03 28.05.10 16.07.00 17.11.06 30.08.93 20.12.07 28.03.96 20.03.04 26.09.05 10.03.94 06.11.04 16.07.11 31.03.03 26.10.93 07.10.99 11.05.00 21.12.03 17.08.09 30.01.01 26.11.90 16.07.96 10.11.00 17.10.07 23.07.97 23.06.04 07.07.92

20.07.93 13.10.06 18.12.97 24.03.08 30.09.92 18.02.03 27.08.10 17.08.00 13.12.06 28.09.93 02.01.08 09.04.96 05.04.04 13.11.05 28.03.94 22.11.04 14.10.11 12.04.03 22.11.93 03.01.00 01.06.00 12.01.04 27.08.09 15.02.01 10.12.90 15.08.96 10.12.00 31.10.07 31.01.98 09.07.04 23.07.92

226.8 69.2 174.2 51.8 232.9 112.8 22.8 143.1 67.1 193.5 54.5 194.0 99.4 79.0 219.0 91.8 9.2 111.2 223.9 150.6 145.4 102.2 34.8 137.0 210.8 190.2 139.3 56.7 173.5 96.3 239.2

CAÙC TRAÏM ÑIEÀU KHIEÅN GPS

 01 traïm ñieàu khieån chính (Master Control Station – MCS) vaø 01 döï phoøng ñaët ôû Colorado Springs, ôû ñoù döõ lieäu quan traéc ñöôïc xöû lyù ñeå tính toaùn baûn lòch veä tinh vaø soá hieäu chænh ñoàng hoà veä tinh (traïm naøy cuõng khôûi ñoäng moïi hoaït ñoäng cuûa maûng khoâng gian, nhö baûo quaûn ñoàng hoà veä tinh).

 04 Anten maët ñaát vaø 06 traïm theo doõi (Monitor control) bao goàm Hawaii, Kwajalein Atoll, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Srpings vaø Cape Canaveral, quan traéc chuyeån ñoäng cuûa veä tinh GPS vaø truyeàn döõ lieäu veà traïm ñieàu khieån chính.

 Ngoaøi ra coøn coù 10 traïm thu nhaän tín hieäu ñaët raûi raùc

treân toaøn caàu.

CAÙC TRAÏM ÑIEÀU KHIEÅN GPS

MAÛNG NGÖÔØI SÖÛ DUÏNG

Laø caùc maùy thu ñaët treân maët ñaát, bao goàm phaàn cöùng

laãn phaàn meàm:

ªPhaàn cöùng coù nhieäm vuï thu tín hieäu veä tinh ñeå ruùt ra trò ño khoaûng caùch töø maùy thu ñeán veä tinh vaø toïa ñoä veä tinh ôû thôøi ñieåm ño

ªPhaàn meàm coù nhieäm vuï xöû lyù caùc thoâng tin treân ñeå

cung caáp toïa ñoä cuûa maùy thu

MOÄT SOÁ KIEÅU MAÙY THU GPS

LEICA

SR20

GARMIN

III PLUS

TOPCON

Legacy E

TÍN HIEÄU GPS

Moãi veä tinh GPS phaùt cuøng moät loaïi tín hieäu treân hai taàn soá cuûa quang phoå ñieän töø: L1 ôû 1575.42MHz vaø L2 ôû 1227.60MHz. ÔÛ giaûi taàn soùng cöïc ngaén naøy, tín hieäu truyeàn ñi raát taäp trung theo höôùng phaùt vaø do ñoù deã bò khoùa vaø phaûn xaï töø caùc vaät raén vaø maët nöôùc. Tín hieäu deã daøng xuyeân qua caùc ñaùm maây. Tín hieäu bao goàm 3 thaønh phaàn cô baûn: Hai soùng taûi L-band Maõ ño khoaûng caùch ñieàu bieán treân caùc soùng taûi Thoâng baùo haøng haûi

TÍN HIEÄU GPS

TÍN HIEÄU GPS

SOÙNG TAÛI

Soùng taûi cung caáp phöông tieän “chuyeân chôû” caùc maõ ño khoaûng caùch vaø thoâng baùo haøng haûi töø veä tinh ñeán maët ñaát. Taát caû caùc thaønh phaàn tín hieäu cuûa veä tinh ñeàu söû duïng chung moät ñoàng hoà nguyeân töû oån ñònh raát cao (10-13/ngaøy) vaø ñöôïc coi laø “traùi tim” cuûa veä tinh. Ñoàng hoà sinh ra moät soùng sine ôû taàn soá f0 = 10.23MHz goïi laø taàn soá cô baûn. Taàn soá f1 = 154xf0 = 1575.42MHz,  böôùc soùng 1  19cm. Taàn soá f2 = 120xf0 = 1227.60MHz, böôùc soùng 2  24cm. Ñeå ñöa thoâng tin leân soùng taûi, ngöôøi ta aùp duïng kyõ thuaät ñieàu bieán dòch hai pha. Trong GPS coù hai loaïi maõ ñöôïc duøng ñeå ñieàu bieán soùng taûi: maõ ño khoaûng caùch vaø thoâng baùo haøng haûi.

MAÕ ÑO KHOAÛNG CAÙCH

Maõ ño khoaûng caùch goàm hai loaïi: Maõ C/A laø teân vieát taét cuûa “clear/access” hay

“coarse/acquisition” nghóa laø maõ thoâ (ñoä chính xaùc thaáp) nhöng mieãn phí.

Maõ P vieát taét cuûa “private” hay “precise” nghóa laø maõ

chính xaùc nhöng khoâng mieãn phí

Maõ C/A vaø P ñöôïc xem nhö thöôùc ño – chuùng cung caáp phöông tieän ñeå maùy thu GPS coù theå ño khoaûng caùch moät chieàu töø maùy thu ñeán veä tinh. Caû hai loaïi maõ ñeàu coù ñaëc tính nhieãu ngaãu nhieân (random noise), nhöng thöïc chaát chuùng ñöôïc sinh ra baèng caùc thuaät toaùn toaùn hoïc. Do ñoù coøn goïi laø “nhieãu giaû ngaãu nhieân” (pseudo-random noise – PRN)

Caùc veä tinh block IIR-M coøn truyeàn theâm tín hieäu daân söï thöù hai L2C treân taàn soá L2 vaø tín hieäu quaân söï M treân caû hai taàn soá L1 vaø L2

TRÒ ÑO GPS

Tín hieäu phaùt ra töø anten GPS laø tín hieäu phöùc taïp troän laãn treân hai taàn soá soùng taûi laø hai maõ ño khoaûng caùch C/A, P vaø thoâng baùo haøng haûi. Nhieäm vuï cuûa maùy thu laø thöïc hieän moät quaù trình ngöôïc (giaûi maõ) vôùi nhöõng gì ñaõ dieãn ra ôû veä tinh (maõ hoùa). Töùc laø taùch ra caùc thaønh phaàn töø tín hieäu phöùc hôïp. Trong phaàn naøy chuùng ta chæ xem xeùt nhöõng nguyeân lyù chung maø maùy thu coù theå cung caáp caùc trò ño khoaûng caùch döïa vaøo maõ PRN vaø soùng taûi.

Trò ño khoaûng caùch töø maõ PRN

Giaû söû: Veä tinh vaø maùy thu ôû cuøng choã Ñoàng hoà cuûa veä tinh vaø ñoàng hoà cuûa maùy thu treân maët ñaát ñöôïc ñoàng boä vôùi nhau moät caùch chính xaùc vaø khoâng coù sai soá. Maùy thu coù khaû naêng phaùt daõy maõ PRN nhö veä tinh. Vaøo thôøi ñieåm t0, caû veä tinh vaø maùy thu cuøng baét ñaàu phaùt tín hieäu.

ta seõ coù hai daõy maõ hoaøn toaøn gioáng nhau veà caáu truùc vaø pha.

Trò ño khoaûng caùch töø maõ PRN

Do khoaûng caùch thöïc teá giöõa maùy thu vaø veä tinh xaáp xæ 20200km, khi tín hieäu veä tinh ñeán maùy thu phaûi maát khoaûng thôøi gian xaáp xæ 7 milisec, laøm cho hai daõy tín hieäu leäch pha nhau.

Ñoä leäch naøy phaûn aûnh khoaûng caùch hình hoïc töø maùy thu ñeán veä tinh. Döïa vaøo caáu truùc töông töï giöõa hai daõy maõ ngöôøi ta coù theå ño ñöôïc ñoä leäch vaø töø ñoù chuyeån thaønh khoaûng caùch. Vì vaäy ñieàu then choát ôû ñaây laø maùy thu phaûi coù khaû naêng taïo ra daõy maõ gioáng nhö ôû veä tinh.

Trong thöïc teá do sai soá cuûa ñoàng hoà veä tinh, sai soá

cuûa ñoàng hoà maùy thu vaø sai soá do moâi tröôøng truyeàn soùng, khoaûng caùch ño ñöôïc raát xa so vôùi khoaûng caùch hình hoïc vì vaäy maø ngöôøi ta coøn goïi trò ño naøy laø trò ño giaû cöï ly (pseudo-range).

TRÒ ÑO KHOAÛNG CAÙCH TÖØ SOÙNG TAÛI

Giaû thieát töông töï nhö treân nhöng so saùnh hai daõy soùng sine phaùt ra töø veä tinh vaø töø maùy thu ta thaáy chuùng leäch pha nhau. Ñoä leäch pha naøy phaûn aûnh khoaûng caùch töø maùy thu ñeán veä tinh. Pha cuûa tín hieäu laø moät goùc coù giaù trò giöõa 0 vaø 360. Neáu giaù trò naøy vöôït quaù 360 (töông öùng vôùi 1 böôùc soùng nguyeân) thì noù seõ ñöôïc quy veà giôùi haïn treân. Muoán chuyeån ñoä leäch pha thaønh khoaûng caùch, ta coøn caàn soá nguyeân laàn böôùc soùng naèm giöõa maùy thu vaø veä tinh. Ẩn soá naøy ñöôïc goïi laø tham soá ña trò, caàn phaûi giaûi ra trong caùc phaàn meàm xöû lyù pha.

Ñoä chính xaùc cuûa trò ño GPS

Thoâng thöôøng, caùc maùy thu hieän nay coù theå ño ñoä

leäch chính xaùc ñeán 1% böôùc soùng. Do ñoù, trò ño C1 coù ñoä chính xaùc 3m; P1 vaø P2 khoaûng 0.3m vaø L1&L2 chæ vaøi mm.

Tuy nhieân trong trò ño khoaûng caùch (giaû cöï ly hay pha) khoâng chæ chöùa sai soá ño maø coøn chöùa nhieàu sai soá heä thoáng khaùc: sai soá ñoàng hoà (veä tinh vaø maùy thu), sai soá do moâi tröôøng truyeàn tín hieäu, sai soá ña ñöôøng,…

THOÂNG BAÙO HAØNG HAÛI

THOÂNG BAÙO HAØNG HAÛI

S

Z

Caän ñieåm

u

Y

O



i





X

Ñieåm thaêng

Nguyeân taéc ñònh vò baèng veä tinh

Giaû söû: Vector vò trí veä tinh (r) ñaõ bieát Ño ñöôïc vector khoaûng caùch giöõa maùy thu vaø veä tinh () vector vò trí cuûa maùy thu (R) hoaøn toaøn xaùc ñònh ñöôïc.

Nguyeân taéc ñònh vò baèng veä tinh

Tuy nhieân, thöïc teá ta khoâng ño ñöôïc vector khoaûng caùch () maø chæ ño ñöôïc khoaûng caùch hình hoïc (). Ñeå coù ñuû soá trò ño nhaèm giaûi ra toaï ñoä maùy thu vaø sai soá ñoàng hoà maùy thu, ta caàn quan saùt ñoàng thôøi ít nhaát 4 veä tinh trôû leân.

ÑÒNH VÒ TÖÔNG ÑOÁI Phöông trình trò ño giöõa traïm ño i (i=1,2) vaø veä tinh j seõ laø

S2

S3

 r



1

j 1

2 2

2 1

S1

 r

 j R   j R 



2

j 2

1 2

1 1

j

j

Daãn ñeán   r R

 r

 R







1

2

j  1

j 2

P1 P2 R12

SELECTIVE AVAILABILITY (SA)

SA baét ñaàu taùc duïng töø ngaøy 01-07-1991. Noù bao goàm

hai thaønh phaàn Thaønh phaàn  taùc ñoäng vaøo thoâng tin quó ñaïo trong thoâng baùo haøng haûi sao cho toaï ñoä veä tinh khoâng theå tính toaùn moät caùch chính xaùc. Tuy nhieân khoâng nhaän thaáy aûnh höôûng naøy treân döõ lieäu thöïc. Thaønh phaàn  laøm “run” taàn soá xuaát cuûa ñoàng hoà veä tinh. Töø ñoù aûnh höôûng tröïc tieáp vaøo caû trò ño giaû cöï ly vaø trò ño pha. Söï taùc ñoäng naøy laøm cho ñoàng hoà veä tinh teä hôn töø 15-16 laàn

Theo caùc taøi lieäu, taùc ñoäng naøy laøm ñoä chính xaùc ñònh vò tuyeät ñoái sai ñeán 100m maët baèng vaø khoaûng 150- 170m veà ñoä cao. Tuy nhieân nghieân cöùu cuûa chuùng toâi cho thaáy ñoä chính xaùc ñònh vò chæ teä hôn khoaûng 3 laàn.

Vaøo 5-2000, Toång thoáng Clinton ñaõ tuyeân boá ngöøng

chính saùch naøy.

Ve tinh PRN31 ngay 1-2/5/2000

10

5

)

m

(

o d

0

a o T

-5

-10

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0.2

0.1

i

0

) c e s o r c m

(

o h

-0.1

g n o D

-0.2

-0.3

0

5

10

15

20

30

35

40

45

50

25 Thoi gian (gio)

ANTI-SPOOFING (AS)

Döôùi taùc ñoäng cuûa chính saùch naøy, moät maõ W bí maät troän vaøo maõ P ñeå taïo ra maõ Y. Chæ coù nhöõng maùy thu ñaëc bieät (quaân söï) môùi bieát ñöôïc caáu truùc cuûa maõ Y, do ñoù môùi thu ñöôïc ño giaû cöï ly treân maõ naøy. Coøn nhöõng maùy thu thoâng thöôøng chæ thu ñöôïc trò ño giaû cöï ly treân maõ C/A (C1) vaø soùng taûi L1, nghóa laø töông ñöông vôùi maùy thu moät taàn soá.

Chính saùch naøy baét ñaàu töø ngaøy 31-01-1994 vaø vaãn

coøn toàn taïi cho ñeán nay. Caùc coâng ty saûn xuaát maùy thu ñaõ ñaàu tö nhieàu tieàn cuûa vaø thôøi gian ñeå nghieân cöùu caùc phöông phaùp giaûi maõ treân taàn soá f2 maø khoâng caàn coù kieán thöùc veà caáu truùc maõ Y. Cho ñeán hieän nay coù theå noùi laø hoï ñaõ thaønh coâng nhöng ñieàu naøy laøm cho giaù thaønh cuûa maùy thu trôû neân raát ñaét.

Söï coù maët cuûa maõ daân söï L2C seõ khaéc phuïc khoù

khaên naøy

CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO GPS

1. ÑÒNH VÒ TUYEÄT ÑOÁI: - Nguyeân lyù ño:

 Söû duïng maùy thu ñeå xaùc ñònh ngay toïa ñoä WGS-84 (daïng X,Y,Z hoaëc B,L,H).  Vieäc ño GPS tuyeät ñoái ñöôïc thöïc hieän treân cô sôû söû duïng ñaïi löôïng ño laø khoaûng caùch giöõa veä tinh vaø maùy thu theo nguyeân taéc giao hoäi khoâng gian töø caùc ñieåm ñaõ bieát toïa ñoä laø veä tinh.  Toái thieåu phaûi coù 3 veä tinh ñoàng thôøi ñeå xaùc ñònh ñöôïc vò trí cuûa maùy thu.

CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO GPS

1. ÑÒNH VÒ TUYEÄT ÑOÁI: - Ño vi phaân:

 Caàn coù 1 maùy thu ñoàng boä vôùi maùy phaùt ñöôïc ñaët taïi ñieåm coù toïa ñoä ñaõ bieát (maùy coá ñònh), ñoàng thôøi coù 1 maùy thu khaùc ñaët taïi vò trí caàn xaùc ñònh toïa ñoä, coù boä phaän thu tín hieäu (maùy di ñoäng).  Tieán haønh thu tín hieäu ñoàng thôøi töø veä tinh vaø töø maùy coá ñònh truyeàn ñeán.  Tín hieäu veä tinh bò nhieãu thì keát quaû xaùc ñònh toïa ñoä caû hai maùy ñeàu bò sai.  Chia ra: ño vi phaân dieän heïp vaø ño vi phaân dieän roäng.

CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO GPS

2. ÑÒNH VÒ TÖÔNG ÑOÁI - Nguyeân lyù ño:

 Söû duïng ít nhaát 2 maùy thu GPS ñaët ôû hai ñieåm khaùc nhau ñeå xaùc ñònh hieäu toïa ñoä giöõa chuùng trong heä WGS-84 (x, y, z hoaëc B, L, H).  Nguyeân taéc thöïc hieän treân cô sôû söû duïng ñaïi löông ño laø pha soùng taûi.

CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO GPS

2. ÑÒNH VÒ TÖÔNG ÑOÁI - Ño tónh:

 Coù ñoä chính xaùc cao côõ cm hoaëc mm giöõa hai ñieåm caùch xa nhau haøng chuïc thaäm chí haøng traêm km.  Thöôøng öùng duïng laäp löôùi khoáng cheá traéc ñòa.  Caàn coù hai maùy thu ñoàng thôøi thu tín hieäu veä tinh lieân tuïc töø vaøi chuïc phuùt ñeán vaøi tieáng ñoàng hoà.  Nhöôïc ñieåm: thôøi gian ño laâu, naêng suaát khoâng cao.

CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑO GPS

2. ÑÒNH VÒ TÖÔNG ÑOÁI - Ño ñoäng:

 Cho pheùp xaùc ñònh vò trí töông ñoái cuûa haøng loaït ñieåm so vôùi ñieåm ñaõ bieát, taïi moãi ñieåm chæ caàn thu tín hieäu trong voøng vaøi giaây ñeán vaøi phuùt.  Caàn ít nhaát 2 maùy thu. Vôùi caïnh ñaùy ñaõ bieát ta ñaët 1 maùy thu coá ñònh ôû ñieåm ñaàu vaø cho thu tín hieäu veä tinh suoát trong chu kyø ño (maùy coá ñònh). ÔÛ ñieåm cuoái ñaët maùy thu thöù hai, cho thu tín hieäu ñoàng thôøi vôùi maùy coá ñònh trong voøng 1 phuùt (maùy di ñoäng), tieáp tuïc di chuyeån maùy di ñoäng ñeán caùc ñieåm caàn xaùc ñònh, cuoái cuøng quay veà ñieåm ban ñaàu ñeå kheùp tuyeán.  Maùy coá ñònh vaø maùy di ñoäng phaûi thu tín hieäu lieân tuïc töø ít nhaát 4 veä tinh chung trong suoát chu kyø ño.