Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:122

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 1 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: Công nghệ định vị toàn cầu; công nghệ viễn thám. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Công nghệ 3S: Phần 1

CK.ÖÖÖ0069509
NGUYỄN TRƯỜNG XUÂN CÔNG NGHỆ 3S ■ 3STECHNOLOGY (ĩ) N H À X U Ấ T BẢ N KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Hà N ộ i -2 0 1 4
Chủ biên Nguyễn Trường Xuân Mã số: 2 1 4 0 2 6 M 0 0 ISBN: 9 7 8 -6 0 4 -6 7 -0 2 4 9 -8
7i nói đâu Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ, công nghệ thông tin và các công nghệ kỹ thuật khác. Công nghệ định vị toàn cầu (Global Possition System - GPS), Công n
C hương Ấ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ TOÀN CÀU • • • 1.1. TỔNG QUAN VÈ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 1.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thông định vị toàn cầu Từ xa xưa, con người đã biết dùng mặt trời, mặt trăng, các ngôi sao, thậm chí cả chim trời để định vị. Mặt trời mọc từ hướng đông, lặn về hướng tây. Gió cũng tùy mùa mà chuyển hướng. Chim kéo đàn bay về phương Nam để tránh mùa đông lạnh giá ở phương Bắc, rồi lại lên phương Bắc khi mùa xuân ấm áp trở về. Những kinh nghiệm đó lặp lại từng năm, từng tháng và được nhận thức thành hiện tượng cố định để sử dụng khi định vị. Cũng từ đó dần hình thành thiên văn học, người ta lập được lịch sao, tính được vị trí của từng ngôi sao ở mỗi thời điểm. Sao trớ thành vật thế cố định tương đối đối với mỗi vị trí mặt đất tại mỗi thời điểm. Từ điểm cần xác định, người ta đo góc tới một số ngôi sao để định vị. Đó là nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị thiên văn phát triển từ thế kỷ XVIII. Với việc phát minh ra tín hiệu radio và dùng nó đế định hướng, đã tạo ra bước ngoặt lớn trong kỳ thuật định vị. Tháng 10/1957, Liên Xô (nay là Cộng hòa Liên bang Nga) phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh Sputnhic-1), từ đó các nhà khoa học quân sự và các nhà khoa học ừên thế giới tiếp tục nghiên cứu và đã đạt được những thành công trong việc sử dụng vệ tinh trong công tác định vị. Tháng 12/1958, hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh Transit ra đời gồm 8 vệ tinh chuyến động theo quỹ đạo cực cách mặt đất 1.000 km. Hệ thống này được dùng trong quân sự cho đến năm 1967. Sau đó được sứ dụng trong lĩnh vực trắc địa. Tuy nhiên, hệ thống này chưa đáp ứníỉ được yêu cầu dẫn 5
đường hiện đại. Với số ít vệ tinh ớ quỹ đạo tương đối thấp, việc thu và xứ lý tín hiệu kém, độ chính xác thấp và cần nhiều thời gian. Vào khoáng giữa những năm 60 (thế kỷ XX), Bộ Quốc phòng Mỹ đê xuất xây dựng một hệ thống đạo hàng vệ tinh hoàn hảo hơn so với hệ thông TRANSIT. Ý tưởng chính của đề án do hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, đề án có tên là TIMATION. Các công trình nghiên cún tương tự cũng được không quân Mỹ tiến hành trong khuôn khố chương trình mang mã số 6 2 1 B. Từ năm 1973 Bộ Quốc phòng Mỹ quyết định đình chi cả hai chương trình này đế triển khai phối họp nghiên cứu xây dựng hệ thống đạo hànu vô tuyến vệ tinh trên cơ sở kết quả của chương trình TRANSIT và hai chương trình vừa nói tới. Hệ thống này có tên gọi đúng là N A V ST A R GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay. tàu thúy và trên đất liền phục vụ cho Bộ Quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự. Sáu vệ tinh N A V ST A R đầu tiên đã được sản xuất và phóng lên quỹ đạo từ Kanas đế phục vụ chương trình thử nghiệm. Ket quả thử nghiệm thành cône và Chính phú M ỹ tiếp tục đầu tư 12 tỷ đô la để xây dụng thành công hệ thống định vị này vào năm 1986. Khi được hoàn tất. hệ thống sẽ gồm 21 vệ tinh hoạt độne và 3 vệ tinh dự trữ. Các vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo gần như tròn, ở độ cao khoản« 20.200 km với chu kỳ xấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát được ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2/1978. Toàn bộ hệ thống 24 vệ tinh được đưa vào hoạt động hoàn chinh từ tháng 5/1994. Từ năm 1993, hệ thống GPS được phép đưa vào ứng dụng trong dân sự. Tuy nhiên, Bộ Quốc phòng Mỹ có thể sẽ không cung cấp tín hiệu cho mục đích dân sự trong một số trường hợp đặc biệt như vùng đans xay ra chiến tranh. Đến nay. hệ thống định vị NAVSTAR đã trớ nên quen thuộc với tên gọi hệ thống định vị toàn cầu GPS và thực sự khănti định về độ chính xác và tiện nghi sử dụng. Hệ thống định vị toàn cầu GPS được ứns dụnư trono nhiêu lĩnh vực trong quân sự và dân sự. đã tạo ra bước chuyên biên to lớn về kỹ thuật định vị. 6
Hiện nay, ngoài hệ thống NAVSTAR, còn có hệ thống định vị toàn cầu G L O N A SS - Global Navigation Satellite System của Nga, hệ thống GA LILEO của Liên minh châu Âu, hệ thống định vị COMPASS của Trung Quốc với vệ tinh thử nghiệm đầu tiên được phóng lên năm 2007. Một số nước cũng đang thử nghiệm và phát triển hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như Án Độ với hệ thống IRNSS (Indian Region Navigational Satellite System), Nhật Bản với hệ thống QZSS (Quasi - Zenith Satellite System). Tuy nhiên, hệ thống QZSS không phải là hệ thống độc lập, mà chi là bổ sung cho GPS với vùng phủ sóng trên lãnh thổ Nhật Bán. 1.1.2. Các thành phần của hệ thông định vị toàn câu Hệ thống định vị toàn cầu GPS (hình 1-1) gồm ba bộ phận cấu thành, đó là phân đoạn không gian (Space Segment), phân đoạn điều khiển (Control Segment) và phân đoạn sử dụng (User Segment). 1.1.2.1. Phần không gian Phần không gian gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phang quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55° so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, vệ tinh bay ơ độ cao xấp xi 20.200 km so với mặt đất, chu kỳ quay cua vệ tinh là 718 phút (xấp xỉ 12h). Do vậy sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt đất mỗi ngày một lần, với cách phân bố như vậy thì tại bất kỳ thời điểm nào, ở bất kỳ vị trí nào trên trái đất cũng nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh. Mồi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 1 0 'l2giây. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, từ đây tạo ra các sóng tải tần số L| = 1.575,42 MHz và Li = 1.227,60 M Hz, các sóng tải được điều biến bởi hai loại Code là C/A- Code và p - Code. C/A - Code (Coarse/Acquistion) là Code thô/thâu tóm, nó được sử dụng cho các mục đích dân sự và chí điều biến sóng tải L |. C/A - Code có tần số 1,023 MHz. Mỗi vệ tinh được gán một C/A - Code riêng biệt. 7
p - Code (Precise) là Code chính xác, nó được sử dụng cho mục đích quân sự và điều biến cả hai sóng tải Lị, L2. Code này có tần số 10,23 MHz, độ dài toàn phần là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày p - Code mới lặp lại- Tuy vậy, người ta chia Code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày, và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn Code như thế, cứ sau một tuần lại thay đôi nên P- Code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được cho phép. - 24 vệ tinh (tinh đán 1995,21 VT d ù động vả 3 vệ tinh Ạ r phòng. - 6m ặtphắogqaỹđạo (n ^Ễ n g 55°) - Độ cao quỹ dạo 20.200km. - e i n kỳ bay khoảng 12 g ò . - Khối krone khoảng 900 leg Hình 1.1. Các thành phần của hệ thống định vị toàn cầu Cả hai sóng tải L| và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chinh cho đồng hồ cúa vệ tinh, đồ hình phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng cúa hệ thống. Mồi vệ tinh GPS có khối lượng 1.830 kg khi phóng và 930 kg khi bay trên quỹ đạo. Các máy móc thiết bị hoạt động nhờ năng lượng pin mặt trời với sái cánh rộng. Tuổi thọ cua vệ tinh theo theo thiết kế là 7.5 năm. tuy nhiên nhiều vệ tinh hòng sớm hơn so với dự kiến và đã lần lượt bị thay thế 8
Hình 1.2. Hệ thống định vị toàn cầu GPS Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS: - Nhận và lưu giữ lịch vệ tinh mới được gửi lên từ trạm điều khiển. - Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bàng các bộ vi xử lý đặt trên vệ tinh. - Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng 2 đồng hồ nguyên tử Censium và đồng hồ hồng ngọc Rubidium. - Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của mặt đất. - Truyền thông tin và tín hiệu trên hai tần số Lị và L2 rất ổn định và nhất quán. Hình 1.3. Vệ tinh GPS 1.1.2.2. Phần điều khiển Phần điều khiên gồm 4 trạm quan sát trên mặt đất trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs; 4 trạm theo dõi đặt tại 9
Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương). Diego Garcia (Án Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương), các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất. ■< S p rin g s C olorado H awaii V ’ -M À1' Kwajalein ■k' D iego G arcia A sce n sio n V ' M a s te r C o n t r o l S ta tio n s * M o n ito r in g S ta tio n s Hình 1.4. Các trạm điều khiển mặt đất cua GPS 0 . Trạm điều khiển trung tâm; t : Trạm điều khiến. Nhiệm vụ của phần này là điều khiến toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sớ theo dõi chuyển động quỹ đạo vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó. cách và sự thay đôi khoảng cách tói tất ca các vệ tinh có thê quan sát đirơc 10
đồng thời đo các số liệu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận được ớ mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm, trạm trung tâm xử lý các số liệu truyền từ trạm theo dối về cùng với các số liệu đo của chính nó. Kết quả xu lý cho ra các Ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Hình 1.6. Các trạm điều khiển mặt đất của hệ thống GPS Từ trạm trung tâm các số liệu được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh thường xuyên được chính xác hóa và chúng sẽ được cấp cho người sử dụns thông qua các sóng tải L| và L 2 . Việc chính xác hóa thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày, c ầ n nói thêm ràng, các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác đến cỡ 5 mét, chưa kể đến chúng còn cố ý bị làm nhiễu bởi chế độ SA (Selective Availability) đế hạn chế độ chính xác. 1.1.2.3. Phần s ử dụng Phần sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác và sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng cả trên trời, trên biển và trên đất liền. Đó có thể là máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay nhóm gồm từ hai máy thu trở nên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định vị tương đoi) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chú phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân). 11
Đó là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn câu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một số nước phát triển. Máy thu GPS là phân cứng quan trọng trong công đoạn sử dụng. Câu hình của một máy thu thông thường có thể mô tả theo sơ đồ khối hình 1.7, gồm các bộ phận sau: Ă n g -ten X ử lý tín hiệu Bộ vi xử lý Bộ cấp nguồn Bộ d ao động Bộ lưu số liệu Hình 1.7. Sơ đồ khối máy thu GPS - Ang-ten với bộ tiền khuếch đại để phóng to cường độ tín hiệu thu được từ vệ tinh. - Bộ xử lý tín hiệu có chức năng giái mã tín hiệu vệ tinh, đo pha sóng tải, thu nhận dao động nội bộ do bộ dao động của máy thu phát ra để dóng hàng với tín hiệu thu được, có tác dụng tính thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu. - Bộ dao động sản xuất các sóng tín hiệu tương tự như các sóng tín hiệu do vệ tinh chuyển đến, mục đích để dóng hàng với tín hiệu này tính thời gian truyền tín hiệu. - Bộ vi xư lý để tính cạnh thô từ vệ tinh đến ăng-ten máv thu theo mã, tính tọa độ tức thời của tâm ăng-ten máy thu, tính các loại số cái chính ban đầu và các thông số dẫn đường. - Bộ lưu số liệu dùng để lun trừ sổ liệu. - Bộ cap nguồn đám bảo năng lượng điện cho máy hoạt độn°. 12
Nhờ tiến bộ khoa và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỳ thuật thông tin tín hiệu số, các máy thu GPS ngày càng hoàn hảo. Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu GPS như hãng Trimble Navigation, Ashtech (Mỹ), Minimax (Cộng hòa liên bang Đức), Leica (Thụy Sĩ), Sokia (Nhật Bản), Sercel (Pháp)... Cùng với máy thu, các hãng còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin như Trimvec, Trimnet plus, GPS Survey, Geomatic, ... các phần mềm xử lý ngày càng hoàn thiện và ngày càng nâng cao hiệu quá cũng như độ chính xác. Hiện tại, máy thu có thể phân theo 4 nhóm sau: N hóm 1: Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C/A trên tần số L ị. N hóm 2: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang Lị thường gọi tắt là máy thu một tần số. N hỏm 3: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang L ị, L2 thường gọi tắt là máy thu hai tần số. N hóm 4: Máy thu xử lý mã Y và pha sóng mang Lị , L2 chi có quân đội Mỹ và đồng minh mới có. Hình 1.8. Một sô loại máy thu GPS 1.2. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẰU GLONASS VÀ GALILEO 1.2.1. Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS Đây là hệ thống định vị toàn cầu do Liên Xô (nay là Cộng hòa liên bang Nga) chế tạo và đã được đưa vào sử dụng từ năm 1982. Hệ thống cũng bao gồm 24 vệ tinh nhưng quay trong 3 mặt phang quỹ đạo có bán kính từ 18.840 km đến 19.940 km, trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45°, chu kỳ quay khoảng 676 phút. 13
Hiện nay hệ thống GLONASS cũng đang trong eiai đoạn đâu hoạt động với 14 vệ tinh. Ngày 25/12/2005, ROSKOSMOS (Cơ quan Không gian Nga) đã phóng bổ sung 3 vệ tinh mới nằm trong kế hoạch triển khai hoàn chình mạng lưới 24 vệ tinh được thiết kế thành 3 quỹ đạo bao quanh trái đât. Toàn hệ thống hoạt động vào năm 2010. Hình 1.9. Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS Hình 1.10. Một số vệ tinh của hệ thống GLONASS 1.2.2. Hệ thông định vị toàn cầu GALILEO Vào 5 giờ GMT sáng ngày 28/12/2005. thôns qua tên lưa Soyouz từ sân bay vũ trụ Baikonour tại Kazakhstan. cơ quan Khôrtíỉ sian Châu Âu (ESA) đã phóng vệ tinh GIOVE-A lên quỹ đạo địa tĩnh, bẳt đầu bước thừ nghiệm cho chương trình "Hệ thốna định vị toàn cầu GALILEO". 14
Nhiệm vụ đầu tiên của vệ tinh GIOVE-A (nặng 600 kg, hoạt động ớ độ cao 23.222 km) là báo đám việc sử dụng tần số sóng vô tuyến được Liên đoàn Viễn thông quốc tế (ITU) phân bổ cho hệ thống GALILEO. Đồng thời thử nghiệm hiệu quả hoạt động của hai đồng hồ nguyên tử (cốt lõi sống còn của hệ thống định vị toàn cầu), cùng các thông số kỹ thuật khác phục vụ cho việc triển khai các vệ tinh trong chương trình GALILEO, bắt đầu phóng lên vào năm 2006. Theo ESA, hệ thống GALILEO có tổng cộng 30 vệ tinh, bắt đầu hoạt động vào năm 2008 và hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống vào năm 2010. Hệ thống thử nghiệm nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử, máy tạo tín hiệu và thiết bị thu tín hiệu của người sử dụng. Khi đi vào hoạt động, hệ thống GALILEO sẽ xác định vị trí bằng công nghệ real-time, tức là dựa vào thời gian truyền tín hiệu để xác định vị trí cần tìm. Với tốc độ truyền tín hiệu cực nhanh, gần như tức thời, hệ thống GALILEO được trông đợi có thể xác định một vật thể trên mặt đất với sai số trong khoảng 1 mét. X
đặc biệt gắn trong điện thoại di động, biến nó trở thành một thiết bị định vị vô tuyến vô cùng tiện lợi. Với đúng nghĩa của hệ thống định vị toàn cầu GPS. ca N A V STA R , GLONASS và GALILEO (sau khi hoàn thành) đều cho phép thực hiện định vị ở bất kỳ điểm nào, vào bất cứ thời điểm nào trong ngày với bât kỳ điêu kiện thời tiết nào. Hiện nay đã có những dự án phối hợp khai thác giữa các hệ thống này để nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trên phạm vi toàn câu. Hình 1.12. Hình ảnh vệ tinh được đưa vào quỹ đạo của hệ thống GALILEO 1.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO CẠNH GPS 1.3.1. Đo cạnh theo mã Mồi máy thu GPS đều có một đồng hồ thạch anh, phát ra các sóng và mã đo cạnh hệt như trên vệ tinh. Tại thời điểm thu được tín hiệu, mã vệ tinh được dóng hàng với mã máy thu để xác định thời gian truyền sóng d ĩ từ vệ tinh đến tâm ăng-ten. Tích của thời gian truyền sóng dx và tốc độ truyền sóng c là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm ăng-ten m áy thu (Hình 1.13). M ã vệ tinh JUUU1__TLnrưin. M ã m áy thu _ r ư ư ư i _ r ư u u i _ _ n _ *------ clx — * p = CỈTXC Hình 1.13. Đo cạnh theo mã 16
Tuy nhiên, giờ vệ tinh và giờ máy thu không đồng bộ với giờ GPS. Khi quy thời gian truyền sóng về giờ vệ tinh và giờ máy thu là những dữ kiện mà ta thu được, cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu được tính theo công thức sau: p =d (1.1) p = p + c x ( d t - d T ) + du + d tm m p ( 1.2 ) Trong đó: dt: Độ trễ của đồng hồ vệ tinh; dT: Độ trễ của đồng hồ máy thu so với thời gian GPS; dion và dtroP: Số cải chính độ trễ truyền sóng qua tầng điện ly; dtrop-' Số cải chính độ trễ truyền sóng qua tầng đối lưu. Đồng hồ vệ tinh 1 H ệ giờ G P S H 1 ] H I „ L _ J ....... I. dt dT Đ ồng hồ m áy 1 1 1 1 1 1 L , , 1 1 Cl 1 1 1 * t Ị Hình 1.14. Quy chuẩn về hệ giờ GPS Cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu tính từ dừ kiện trực tiếp thu được, theo công thức (1.1) gọi là cạnh thô vì chưa qua xử lý, thuật ngữ tiếng Anh thường dùng là Pseudo-range. Trong mồi máy thu đều có bộ xử lý để tính ngay ra cạnh thô và tiếp đó tính tọa độ địa tâm và tọa độ trắc địa của điểm đặt máy trong một vài phút để thực hiện phép định vị tức thời. Kết quả thực nghiệm cho biết độ chính xác đo cạnh thô có thể đạt 1% độ dài bước sóng, tức 3 mét khi dùng mã C/A và 0,3 mét khi dùng mã p và độ chính xác định vị tức thời đạt 30 - 50 mét với mã C/A và từ 3 - 5 mét với mã p. Do ngại rằng độ chính xác định vị tức thời này có thể sử dụng hiệu quả cho hoạt động quân sự, Bộ Quốc phòng Mỹ đã cho phủ lên
mã C/A nhiễu SA (Selective Availability), hạ thấp độ chính xác định vị băng mã này xuống 100 mét và dùng mã Y phủ lên mã p (thường gọi là nhiêu AS - Anti Spoofing). Chi cơ quan được phép sứ dụng mới được trao biện pháp khử nhiễu AS, từ tháng 5/2000 nhiễu SA đã được gỡ bỏ. 1.3.2. Đo cạnh bằng pha sóng tải Pha sóng tải ở đây là toàn bộ các chu kỳ truyền sóng từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu, gồm sổ chu kỳ nguyên và chu kỳ lé cuối cùng. Sử dụng pha sóng tải để đo cạnh trước hết có thế nâng cao độ chính xác. Khi sai số đo cạnh có thế hạn chế đến 1% độ dài bước sóng thì với sóng tải L| có bước sóng bằng 19 cm, độ chính xác đo cạnh có thể bảo đảm 2 mm, Ngoài ra có thể loại trừ ảnh hưởng của nhiễu SA. Tuy nhiên đây cũng là vấn đề tinh tế nhất trong kỹ thuật định vị GPS, đặc biệt được giới chuyên môn quan tâm giải quyết. Trước hết hãy xem xét quan hệ có tính nguyên lý cùa kỳ thuật đo cạnh bằng sóng radio sau đây: S = NA. + (|)X (1.3) Trong đó: S: Chiều dài cạnh cần đo; N: Số chu kỳ nguyên; cp: Chu kỳ lẻ; Ằ: Độ dài bước sóng tải. ị*------------------- N / -------------- - .................... ..... - - s - ...........................* Hình 1.15. Đo cạnh bàng sóng radio Trong phương pháp đo cạnh bằng sóng radio cổ truyền, là phép đo hai chiều, có thê thiết kế máy đo và phương pháp đo để thu được trị \ và sóc ọ 18
để tính cạnh, còn phép đo cạnh trong kỹ thuật GPS là phép đo một chiêu. Tại thời điểm máy thu GPS bắt được tín hiệu thì việc truyền sóng đã căn bản hoàn thành. Máy chỉ ghi được góc (p và một số chu kỳ nguyên mà không thể thu nhận được trị N, tuy nhiên có thể đếm được số chu kỳ nguyên AN từ sau khi thu xong tín hiệu đầu tiên (hình 1.16). / Fi«pi N(t0i ị Hình 1.16. Trị đo pha sóng tải trong máy thu GPS Như vậy, từ sau thời điểm to, là thời điểm máy thu bắt được tín hiệu vệ tinh, máy thu chỉ thu được một số chu kỳ nguyên Int(cp;to,t) và phần chu kỳ lẻ Fr(ọ) mà không thu được đại bộ phận số chu kỳ nguyên còn lại. Pha sóng tải, biểu thị cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu, được thể hiện trong quan hệ dưới đây: ộ = p + c x ( d t - d T ) + Ả x N - d m + dmẹ n (1.4) Giải pháp tìm số chu kỳ nguyên của sóng tải vì vậy trớ thành vấn đề trung tâm của công nghệ định vị GPS độ chinh xác cao, đồng thời cũng là vấn đề rất phức tạp. Ngoài ra trong quá trình truyền sóng, do bị nhiễu hoặc hiện tượng phản xạ nhiều lần, không thể tránh khoi trường họp thất lạc một số chu kỳ sóng tải. Vì thực trạng trên, trong tài liệu tiếng Anh dùng thuật ngữ “integer ambiguity” (tính không rõ ràng của số nguyên) đê chỉ số chu kỳ nguyên của sóng tải. Để ngắn gọn và trực quan, ta dùng cụm từ “trị N ” để chi đại lượng này. Đến nay đã có nhiều giải pháp xác định trị N. Mỗi giải pháp là hạt ■ nhân để thiết lập một phương pháp định vị, kèm theo đó một cấu hình của máy thu, một chương trình điện toán xứ lý số liệu. 19
1.4. NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ BẰNG GPS Trong kỹ thuật GPS có nhiều phương pháp định vị khác nhau để có thể đáp ứng yêu cầu đa dạng của người sử dụng. Hiện tại, có ba phương pháp định vị GPS được sử dụng phổ biến là định vị GPS tuyệt đối, định vị GPS tương đối và định vị GPS vi phân. 1.4.1. Định vị GPS tuyệt đối 1.4.1. ỉ. Định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả Định vị GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ các điểm trong hệ tọa độ WGS - 84 (là hệ tọa độ cơ sở của hệ thống GPS). Tọa độ đó có thể là tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc tọa độ mặt cầu (B, L, H). Việc định vị GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoáng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh để tính ra tọa độ cần xác định theo công thức: R = 4. Khi đó lời giái đơn trị được tính nhờ phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. 1.4.1.2. Đ ịnh vị tuyệt đối bằng p h a sóng tải Khoảng cách giả có thể nhận được từ các trị đo pha sóng tải. Mô hình toán học của các trị đo này như sau: ®!‘(t) = j p ! ( t ) + N¡ + f ' A ổ l' ự) (1.6) 20