Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS (Nghề: Trắc địa công trình - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

Chia sẻ: Lạc Vũ Chi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS (Nghề: Trắc địa công trình - Cao đẳng) cung cấp cho học viên những kiến thức về: hệ thống định vị toàn cầu GPS; tổ chức thực hiện đo GPS; xử lý số liệu đo GPS; đo GPS lập lưới khống chế mặt bằng; đo GPS phục vụ đo vẽ địa chính; đo GPS phục vụ trắc địa công trình; đo cao GPS;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS (Nghề: Trắc địa công trình - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng nghề Xây dựng

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ ĐO GPS NGHỀ: TRẮC ĐỊA CÔNG TRÌNH TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Quảng Ninh, năm …………… 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. 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 mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền. Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt 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 hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v... Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ 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 hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng. Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3 chương sau đây: Bài 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Bài 2: Tổ chức thực hiện đo GPS Bài 3. Xử lý số liệu đo GPS Bài 4: Đo GPS lập lưới khống chế mặt bằng Bài 5: Đo GPS phục vụ đo vẽ địa chính Bài 6: Đo GPS phục vụ trắc địa công trình Bài 7: Đo cao GPS
BÀI 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1. Cấu trúc của hệ thống GPS, chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất. Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được 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). 1.1.1. 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; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. 1
Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. 1.1.2. Phần không gian (Space Segment): 1.1.2.1 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 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể 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 số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 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 về lịch 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 của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe". 1.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu 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, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 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 được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y). Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.
Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ 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 sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. 1.1.2.3. Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m và =1:29825722. a. Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính: * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS. Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác. Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử
lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. b. 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 loại chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa. Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu 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 biến đổi trong khoảng 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 loại máy thu khác nhau cũng khác nhau. Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều. 1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách". Kỹ thuật này được 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 phương trình sai số 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 điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được 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 định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ 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 động như tàu biển, máy bay....) - Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS. Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số). Chúng ta có công thức: S = N +  (2) Trong đó:  - Bước sóng ( = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; : Pha của sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu. Từ công thức (2) chúng ta có:  = (f/c).S - N (3) Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết: (t) = s(ts ) - p(t) + Nsp (4) s(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu; Nsp - Số nguyên lần bước sóng. Từ các công thức trên ta suy ra: (t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp (5) Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng: (t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp (6) Trong đó: p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là s(to) - p(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 kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.
BÀI 2. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐO GPS 1. Chon thời điểm và thiết kế lịch đo GPS Trong phần này sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích thời điểm và thời gian đo GPS. Việt Nam có vị trí địa lý ở vĩ độ thấp, do đó hầu như htời điểm nào cũng có đủ tối thiểu 4 vệ tinh GPS bay qua, tuy nhiên với thời gian đo tối thiểu đối với các cạnh có chiều dài khác nhau như đã nhận xét ở trên, không phải thời điểm nào kết quả đo GPS cũng đạt các yêu cầu. Để dễ dàng trong việc tính cạnh và đạt kết quả cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để chọn khoảng thời gian đo tối ưu phù hợp với số thời gian đo tối thiểu. Việc lập lịch đo có thể tiến hành theo chương trình trong bộ phần mềm xử lý kèm theo các loại máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng Intergraph là chương trình MISSION PLANNING). Nội dung lập lịch đo là xác định kế hoạch đo hợp lý nhất với từng vị trí trên trái đất và từng thời điểm. Chương trình lập lịch đo cho ta các biểu đồ về tất cả các chỉ tiêu của vệ tinh GPS để lựa chọn. Các biểu đồ chính được trình bày trong các hình 10 đến hình 17. Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu Hình 11: Số lượng vệ tinh trong trời trong 24 giờ từng thời điểm Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với từng thời điểm điểm đặt máy thu
Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh Hình 17:Độ chính xác hình học Từ các biểu đồ trên đây, chúng ta có thể thấy rằng đối với vị trí địa lý của Việt Nam thời điểm đo GPS tốt nhất là vào ban đêm từ khoảng 19 giờ đến nửa đêm và từ 4 đến 7 giờ sáng, buổi chiều từ khoảng 14 đến 16 giờ. Cũng trong các khoảng thời gian trên có số vệ tinh bay qua lớn nhất (trên 8 vệ tinh). Đối với hầu hết các lâọi máy thu đo GPS có thể tiến hành theo một trong 2 kiểu: 1. Đo nhanh (Quick Start): là chế độ bật máy và máy sẽ thu ngay tín hiệu của các vệ tinh đang có trên bầu trời. Chế độ này không đòi hỏi một sự chuẩn bị trước nào khác. 2. Đo theo chương trình đặt trước ( Pre-Planned Start) là chế đo được chuẩn bị trước. Đo theo chương trình có 2 loại: theo giờ định trước cho mỗi ngày và theo giờ cùng ngày định trước. Loại thứ nhất thường dành cho việc đo trên những điểm gốc đặt cố định còn loại thứ 2 thường dùng để đo trên những điểm dã ngoại. ở chế độ đo theo chương trình chúng ta có thể đặt trước tên điểm đo, ghi chú điểm, thời gian bắt đầu đo, thời gian kết thúc đo, độ cao vệ tinh bắt đầu thu tín hiệu, số hiệu những vệ tinh máy cần nhận tín hiệu. Khi sử dụng chế độ đo theo chương trình (PRE - LANNED START) trên máy thu chúng ta cần phải đặt trước tên trạm đo và thời gian đo thích hợp (xác định theo chương trình MISSION PLANNING). Sau khi kết thúc đo chúng ta trút trị đo từ máy thu vào máy tính bằng chương trình trút số liệu tương ứng (DOWNLOAD DATA) . Đối với các loại máy thu của Hãng Trimble Navigation trị đo bao gồm các tập hợp (files): T.EPH, T.MES, T.ION, T.DAT (T là tên tập hợp). Tập hợp T.EPH là tập hợp chứa lịch vệ tinh, tập hợp T.MES chứa những thông tin bổ sung, tập hợp T.ION chứa tham số về tầng ion của khí quyển còn tập hợp T.DAT chứa số liệu đo bao gồm pha  và thời gian t. Đối với loại máy thu của
Hãng Ashtech trị đo gồm 3 tập hợp có ký hiệu đầu là B, E và S. Tập hợp B, E tương đương với T.DAT, T.EPH, còn tập hợp S chứa các số liệu khí tượng. Để có thể tính cạnh bằng các phần mềm khác nhau, khi trút số liệu nên chuyển các tập hợp trị đo về dạng RINEX 1.3 .1 Phép định vị tĩnh và định vị động. Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn. Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa. Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution). Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn. 2. Đo tĩnh Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối. Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương 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 của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh. Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa 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 hơn nhiều của số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.
* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất. Phép định vị nhiều máy thu. Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị. Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất. 3. Đo động Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phép định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối. ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ. Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ. Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực . Kết quả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí. Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động. Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu và thông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh. 4. Cấu hình hình học GPS và độ chính xác. Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc. Thành phần thông thường của độ
chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu. Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:  = DOP. o Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)  là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ) DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ chính xác của vị trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ. Các trị số DOP thường dùng nhất là: VDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ. HDOP. o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D. PDOP. o là độ chính xác vị trí không gian 3D. TDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian. THDOP. o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian. GDOP. o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian. Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổng bình phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm. 5. Độ suy giảm chính xác. Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình phân bố vệ tinh GPS. Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia. Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác trị số đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất). 6. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS 6.1 Sai số do đồng hồ. Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để sử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát. 6.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai điểm. 6.3 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 mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số. Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn. Ảnh hưởng 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 tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở cách nhau không quá vài chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể 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 chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời. 6.4 Sai số do nhiễu tín hiệu: Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để
làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten. Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì sai số này sẽ là 50 m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát. Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát. để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác. Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t. Hệ số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt. 7. CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 7.1 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 với những thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại: - 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 khoảng 10-4. Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS. Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ 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 trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS. Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu 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 nghiệp tiêu biểu. 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 cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác. 7.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (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 thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ.... Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình. 7.3 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 chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi. Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS. Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị. 7.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cần đến phao
nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi. Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương. 7.5 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, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh. Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 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 được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. 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 kiểu định vị tương tự như vậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực. Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS. 7.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS. Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc...), những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay. 7.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này có
quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada. Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay. 7.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện nay ở mức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng. 7.9 Các ứng dụng trong quân đội Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân. 8. 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 cải tiến khá nhiều để đạt được các thành tựu mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật. 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 nhiều hơn trên mỗi điểm đo; • Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn 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 nhiễu tín hiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanh antenna; • Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế sai số 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 đến nay như sau: