Luận văn: Công nghệ gps động và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam

Chia sẻ: Bui Van Cuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

167
lượt xem 46
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đo GPS động là bước phát triển mới của công nghệ GPS cho phép đo đạc chi tiết bỏ qua công đoạn lập lưới khống chế cơ sở, có độ chính xác đạt yêu cầu kỹ thuật đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, có những tính năng ưu việt so với phương pháp đo vẽ bản đồ truyền thống.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Công nghệ gps động và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr-êng §¹i häc Má - §Þa chÊt ------------------------- Vò TiÕn Quang C«ng nghÖ GPS ®éng vµ kh¶ n¨ng øng dông trong c«ng t¸c ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín t¹i ViÖt Nam. Chuyªn ngµnh : Tr¾c ®Þa M· sè : 2.16.00 luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt ng-êi h-íng dÉn khoa häc: TS. §Æng Nam Chinh Hµ Néi – n¨m 2002
2 Lêi cam ®oan T«i xin cam ®oan néi dung ®Ò tµi nµy lµ nh÷ng kÕt qña nghiªn cøu, nh÷ng ý t-ëng khoa häc t«i tæng hîp tõ c«ng tr×nh nghiªn cøu, c¸c c«ng t¸c thùc nghiÖm, c¸c c«ng tr×nh s¶n xuÊt do t«i trùc tiÕp tham gia thùc hiÖn.
3 môc Lôc trang Trang phô b×a 1 Lêi cam ®oan 2 Môc lôc 3 Danh môc c¸c b¶ng 3 Danh môc c¸c h×nh 5 më ®Çu: 6 Ch-ong 1. Lý thuyÕt chung vÒ c«ng nghÖ GPS 10 1.1 Vµi nÐt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn 10 1.2 CÊu tróc hÖ thèng GPS 11 1.3 CÊu tróc tÝn hiÖu GPS 16 1.4 C¸c trÞ ®o GPS 20 1.5 Nguyªn lý ®Þnh vÞ GPS 24 1.6 C¸c nguån sai sè trong ®o GPS 29 1.7 Nh÷ng kü thuËt ®o GPS 33 1.8 To¹ ®é vµ hÖ quy chiÕu 39 Ch-¬ng 2. Nguyªn lý ®o GPS ®éng 42 2.1 Nguyªn lý chung vÒ ®o GPS ®éng 42 2.2 ThiÕt bÞ ®o GPS ®éng 45 Ch-¬ng 3. nghiªn cøu ®é chÝnh x¸c ph-¬ng ph¸p ®o GPS ®éng 49 3.1 §o kiÓm ®Þnh ph-¬ng ph¸p ®o GPS RTK 50 3.2 §o kiÓm ®Þnh ph-¬ng ph¸p ®o GPS PPK 55 Ch-¬ng 4. b¶n ®å tû lÖ lín 64 4.1 Nh÷ng kh¸i niÖm chung 64
4 4.2 Yªu cÇu kü thuËt cña b¶n ®å tû lÖ lín 65 4.3 Quy tr×nh thµnh lËp b¶n ®å tû lÖ lín 66 Ch-¬ng 5. Qui tr×nh ®o vµ xö lý sè liÖu ®o GPS ®éng 69 5.1 C«ng t¸c chÈn bÞ 69 5.2 ThiÕt lËp tr¹m ®o 70 5.3 Thñ tôc khëi ®o 73 5.4 §o ®¹c t¹i thùc ®Þa 74 5.5 Giao diÖn thiÕt bÞ ®o vµ phÇn mÒm trót sè liÖu 77 5.6 Xö lý sè liÖu ®o trªn c¸c phÇn mÒm chuyªn dông. 78 5.7 §o GPS RTK trªn khu ®o thö nghiÖm 81 Ch-¬ng 6. kh¶n¨ng øng dông ph-¬ng ph¸p ®o GPS ®éng 85 kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 89 danh môc c¸c c«ng tr×nh cña t¸c gi¶ 90 tµi liÖu tham kh¶o 90 phô Lôc
5 danh môc c¸c b¶ng B¶ng 1. 1 C¸c vÖ tinh cña hÖ thèng GPS. B¶ng 1. 2 B¶ng thèng kª nguån lçi trong ®o GPS vµ biÖn ph¸p kh¾c phôc. B¶ng 1. 3 B¶ng tæng hîp vÒ c¸c ph-¬ng ph¸p ®o GPS. B¶ng 3. 1 KÕt qu¶ ®o GPS RTK t¹i b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4600LS th¸ng 9-1999. B¶ng 3. 2 KÕt qu¶ ®o GPS RTK t¹i b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4800 th¸ng 5-2000. B¶ng 3. 3 Sai sè t¹i c¸c ®iÓm quy chuÈn khu ®o Hoµ L¹c. B¶ng 3. 4 To¹ ®é vµ sai sè t¹i c¸c ®iÓm ®o kiÓm tra khu ®o Hoµ L¹c. B¶ng 3. 5 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ kiÓm tra ph-¬ng ph¸p GPS PPK trªn b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4600LS th¸ng 5-2000. B¶ng 3. 6 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ kiÓm tra ph-¬ng ph¸p GPS PPK trªn b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4800 th¸ng 5-2000. B¶ng 3. 7 KÕt qu¶ ®o kiÓm tra trªn ®iÓm khèng chÕ 11607 - kho¶ng c¸ch 11,27km sö dông m¸y thu 4600 LS theo 2 ph-¬ng ¸n Fixed. B¶ng 3. 8 KÕt qu¶ ®o kiÓm tra trªn ®iÓm khèng chÕ 10451 - kho¶ng c¸ch 10,26km sö dông m¸y thu 4800 theo 2 ph-¬ng ¸n Fixed. B¶ng 4. 1 Sai sè vÒ to¹ ®é cho phÐp víi b¶n ®å ®Þa h×nh tû lÖ lín. B¶ng 4. 2 Sai sè vÒ ®é cao víi b¶n ®å ®Þa h×nh tû lÖ lín. danh môc c¸c h×nh vÏ H×nh 1. 1 S¬ ®å quü ®¹o vÖ tinh hÖ thèng GPS. H×nh 1. 2 VÖ tinh khèi II hÖ thèng GPS. H×nh 1. 3 S¬ ®å §o¹n §iÒu KhiÓn cña hÖ thèng GPS. H×nh 1. 4 S¬ ®å truyÒn tÝ hiÖu cña §o¹n §iÒu KhiÓn cña hÖ thèng GPS. H×nh 1. 5 S¬ ®å c¬ chÕ x¸c ®Þnh thêi gian truyÒn tÝn hiÖu GPS. H×nh 1. 6 TrÞ ®o pha vµ sè nguyªn ®a trÞ.
6 H×nh 1. 7 S¬ ®å nguyªn lý ®Þnh vÞ ®iÓm ®¬n. H×nh 1. 8 S¬ ®å m« t¶ sai ph©n bËc mét. H×nh 1. 9 S¬ ®å m« t¶ sai ph©n bËc hai. H×nh 2. 1 M¸y thu 4800 vµ c¸c thiÕt bÞ ®o GPS RTK. H×nh 2. 2 M¸y thu 4600LSvµ hÖ thèng Radio Link Trimtalk 900. H×nh 2. 3 ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn TSC1 vr. 7.5. H×nh 3. 1 S¬ ®å l-íi thö nghiÖm ®o GPS PPK. H×nh 4. 1 S¬ ®å quy tr×nh ®o, xö lý sè liÖu ®o GPS RTK.
7 Më §ÇU HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS (Global Positioning System) lµ hÖ thèng ®Þnh vÞ, dÉn ®-êng sö dông c¸c vÖ tinh nh©n t¹o ®-îc Bé Quèc Phßng Mü triÓn khai tõ nh÷ng n¨m ®Çu thËp kû 70. Ban ®Çu hÖ thèng nµy ®-îc dïng cho môc ®Ých qu©n sù nh-ng sau ®ã ®· ®-îc th-¬ng m¹i ho¸, ®-îc øng dông rÊt réng r·i trong c¸c ho¹t ®éng kinh tÕ, x· héi vµ ®Æc biÖt ®èi víi ngµnh tr¾c ®Þa b¶n ®å th× ®©y lµ cuéc c¸ch m¹ng thùc sù vÒ c¶ kü thuËt, chÊt l-îng còng nh- hiÖu qu¶ kinh tÕ trªn ph¹m vi toµn thÕ giíi nãi chung vµ ë ViÖt Nam nãi riªng. Cïng víi thêi gian, c«ng nghÖ GPS ngµy cµng ph¸t triÓn hoµn thiÖn theo chiÒu h-íng chÝnh x¸c, hiÖu qu¶ vµ thuËn tiÖn h¬n. Víi môc tiªu nghiªn cøu mét nh¸nh ph¸t triÓn míi c«ng nghÖ GPS trong lÜnh vùc tr¾c ®Þa b¶n ®å, t«i ®· ®Ò xuÊt vµ ®-îc phÐp tiÕn hµnh nghiªn cøu ®Ò tµi “C«ng nghÖ GPS ®éng vµ kh¶ n¨ng øng dông trong ®o c«ng t¸c vÏ b¶n ®å tû lÖ lín t¹i ViÖt Nam”. TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi HÖ thèng ®Þnh vÞ GPS ®· ®-îc c«ng nhËn vµ sö dông réng r·i nh- mét c«ng nghÖ tin cËy, hiÖu qu¶ trong tr¾c ®Þa b¶n ®å bëi c¸c tÝnh -u viÖt sau: 1. Cã thÓ x¸c ®Þnh to¹ ®é cña c¸c ®iÓm tõ ®iÓm gèc kh¸c mµ kh«ng cÇn th«ng h-íng. 2. §é chÝnh x¸c ®o ®¹c Ýt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn thêi tiÕt (cã thÓ ®o trong mäi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt). 3. ViÖc ®o ®¹c to¹ ®é c¸c ®iÓm rÊt nhanh chãng, ®¹t chÝnh x¸c cao, ë vÞ trÝ bÊt kú trªn tr¸i ®Êt. 4. KÕt qu¶ ®o ®¹c cã thÓ tÝnh trong hÖ to¹ ®é toµn cÇu hoÆc hÖ to¹ ®é ®Þa ph-¬ng bÊt kú. 5. KÕt qu¶ ®o ë d¹ng file sè liÖu (digital file) nªn dÔ dµng nhËp vµo c¸c phÇn mÒm ®o vÏ b¶n ®å hoÆc c¸c hÖ thèng c¬ së d÷ liÖu.
8 Víi nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt, ngay tõ nhòng n¨m ®Çu thËp kû 90 c«ng nghÖ GPS nhanh chãng chiÕm lÜnh vÞ trÝ quan träng trong c«ng t¸c lËp l-íi khèng chÕ tr¾c ®Þa ë ViÖt Nam sö dông kü thuËt ®o GPS tÜnh. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, do tiÕn bé nhanh vÒ kü thuËt xö lý sè liÖu, c«ng nghÖ chÕ t¹o thiÕt bÞ ngµy cµng hoµn thiÖn nªn kü thuËt ®o GPS ®éng ®· vµ ®ang ®-îc øng dông réng r·i trªn toµn thÕ giíi do ph-¬ng ph¸p nµy nh÷ng -u ®iÓm ®Æc biÖt. ë ViÖt Nam, trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y mét sè thiÕt bÞ ®o GPS ®éng ®· ®-îc nhËp vµ thö nghiÖm ë mét sè c¬ quan nghiªn cøu. §Ó cã nh÷ng kÕt luËn khoa häc vÒ ph-¬ng ph¸p ®o GPS ®éng th× viÖc nghiªn cøu øng dông trong ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín, ®Ò xuÊt quy tr×nh c«ng nghÖ lµ viÖc cÇn thiÕt ph¶i tiÕn hµnh ®Ó cã c¬ së triÓn khai øng dông mét c¸ch phæ biÕn ë ViÖt Nam. §èi t-îng, ph¹m vi nghiªn cøu Tõ nh÷ng nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng GPS, nh÷ng kü thuËt ®Þnh vÞ, ®Ò tµi nµy sÏ nghiªn cøu chi tiÕt c¸c kü thuËt ®o GPS ®éng sö dông c¸c thiÕt bÞ ®o GPS ®éng míi ®-îc nhËp. KÕt qu¶ nghiªn cøu cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®-îc vÒ ®é chÝnh x¸c ®¹t ®-îc cña tthiÕt bÞ trong ®iÒu kiÖn thùc tÕ cña ViÖt Nam, so s¸nh víi c¸c c«ng nghÖ truyÒn thèng ®Ó rót ra nh÷ng kÕt luËn khoa häc, tõ ®ã ®Ò xuÊt quy tr×nh c«ng nghÖ ¸p dông kü thuËt ®o GPS ®éng cô thÓ cho viÖc ¸p dông kü thuËt ®o GPS ®éng ë c¸c c¬ së s¶n xuÊt tr¾c ®Þa b¶n ®å. ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn Th«ng qua viÖc nghiªn cøu lý thuyÕt, c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm, c¸c c«ng tr×nh s¶n xuÊt thùc tiÔn cña ®Ò tµi nµy, t¸c gi¶ mong muèn thÓ hiÖn c¸c vÊn ®Ò sau: 1. C«ng nghÖ GPS lµ c«ng nghÖ míi, kh¸c biÖt, lµm thay ®æi h¼n quan niÖm vÒ viÖc ®o ®¹c trong c«ng t¸c tr¾c ®Þa b¶n ®å. 2. §o GPS ®éng lµ b-íc ph¸t triÓn míi cña c«ng nghÖ GPS cho phÐp ®o ®¹c chi tiÕt bá qua c«ng ®o¹n lËp l-íi khèng chÕ c¬ së, cã ®é chÝnh x¸c ®¹t
9 yªu cÇu kü thuËt ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín, cã nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt so víi ph-¬ng ph¸p ®o vÏ b¶n ®å truyÒn thèng. 3. §o GPS ®éng lµ ph-¬ng ph¸p ®o ®¹c khoa häc, ®¸p øng yªu cÇu cña c«ng t¸c tù ®éng ho¸ ®o vÏ b¶n ®å, phï hîp víi viÖc tæ chøc, qu¶n lý sè liÖu trong c¸c hÖ thèng qu¶n trÞ d÷ liÖu trong m¸y tÝnh. 4. §o GPS ®éng kÕt hîp víi c¸c ph-¬ng ph¸p ®o vÏ truyÒn thèng t¹o ®-îc hiÖu qu¶ kinh tÕ cao trong ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín ë ViÖt Nam. Víi nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt, kü thuËt ®o GPS ®éng lµ ph-¬ng ph¸p míi ¸p dông kh«ng chØ tèt trong ngµnh §Þa ChÝnh mµ cßn víi c¸c c¬ quan cã chøc n¨ng kh¶o s¸t, ®o ®¹c kh¸c trong c¸c ngµnh Giao th«ng, Thuû lîi, X©y dông, N«ng nghiÖp... B¶n luËn v¨n nµy ®-îc hoµn thµnh d-íi sù h-íng dÉn khoa häc cña tiÕn sÜ §Æng Nam Chinh khoa Tr¾c §Þa - tr-êng ®¹i häc Má - §Þa ChÊt, ®ång thêi ®-îc sù hç trî tÝch cùc cña ViÖn Nghiªn Cøu §Þa ChÝnh vµ c¸c ®ång nghiÖp trong viÖc tæ chøc triÓn khai nghiªn cøu. T«i xin ch©n thµnh c¶m tiÕn sÜ §Æng Nam Chinh, tr-êng ®¹i häc Má - §Þa ChÊt, ViÖn Nghiªn Cøu §Þa ChÝnh cïng c¸c ®ång nghiÖp vµ mong nhËn ®-îc nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp vÒ ®Ò tµi.
10 Ch-¬ng I: lý thuyÕt chung vÒ c«ng nghÖ gps 1.1 vµi nÐt vÒ LÞch sö ph¸t triÓn Tõ nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû 20, C¬ quan Hµng Kh«ng vµ Vò Trô (NASA) cïng víi Qu©n ®éi Hoa Kú ®· tiÕn hµnh ch-¬ng tr×nh nghiªn cøu, ph¸t triÓn hÖ thèng dÉn ®-êng vµ ®Þnh vÞ chÝnh x¸c b»ng vÖ tinh nh©n t¹o. HÖ thèng ®Þnh vÞ dÉn ®-êng b»ng vÖ tinh thÕ hÖ ®Çu tiªn lµ hÖ thèng TRANSIT. HÖ thèng nµy cã 6 vÖ tinh, ho¹t ®éng theo nguyªn lý Doppler. HÖ TRANSIT ®-îc sö dông trong th-¬ng m¹i vµo n¨m 1967. Mét thêi gian ng¾n sau ®ã TRANSIT b¾t ®Çu øng dông trong tr¾c ®Þa. ViÖc thiÕt lËp m¹ng l-íi ®iÓm ®Þnh vÞ khèng chÕ toµn cÇu lµ nh÷ng øng dông sím nhÊt vµ gi¸ trÞ nhÊt cña hÖ TRANSIT. §Þnh vÞ b»ng hÖ TRANSIT cÇn thêi gian quan tr¾c rÊt l©u mµ ®é chÝnh x¸c chØ ®¹t cì 1m. Do vËy trong tr¾c ®Þa hÖ TRANSIT chØ phï hîp víi c«ng t¸c x©y dùng c¸c m¹ng l-íi khèng chÕ c¹nh dµi. Nã kh«ng tho¶ m·n ®-îc c¸c øng dông ®o ®¹c th«ng dông nh- ®o ®¹c b¶n ®å, c¸c c«ng tr×nh d©n dông. TiÕp sau thµnh c«ng cña hÖ TRANSIT. HÖ thèng ®Þnh vÞ vÖ tinh thÕ hÖ thø hai ra ®êi cã tªn lµ NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System) gäi t¾t lµ GPS . HÖ thèng nµy bao gåm 24 vÖ tinh ph¸t tÝn hiÖu, bay quanh tr¸i ®Êt theo nh÷ng quü ®¹o x¸c ®Þnh. §é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ b»ng hÖ thèng nµy ®-îc n©ng cao vÒ chÊt so víi hÖ TRANSIT. Nh-îc ®iÓm vÒ thêi gian quan tr¾c ®· ®-îc kh¾c phôc. Mét n¨m sau khi phãng vÖ tinh thö nghiÖm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai ®o¹n thö nghiÖm vËn hµnh hÖ thèng GPS b¾t ®Çu víi viÖc phãng vÖ tinh GPS mÉu " Block I ". Tõ n¨m 1978 ÷ 1985 cã 11 vÖ tinh Block I ®· ®-îc phãng lªn quü ®¹o. HiÖn nay hÇu hÕt sè vÖ tinh thuéc Block I ®· hÕt thêi h¹n sö dông. ViÖc phãng vÖ tinh thÕ hÖ thø II (BlockII)
11 b¾t ®Çu vµo n¨m 1989. Sau giai ®o¹n nµy 24 vÖ tinh nµy ®· triÓn khai trªn 6 quÜ ®¹o nghiªng 550 so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt víi chu kú gÇn 12 giê ë ®é cao xÊp xØ 12.600 dÆm (20.200 km). Lo¹i vÖ tinh bæ sung thÕ hÖ III (Block IIR) ®-îc thiÕt kÕ thay thÕ nh÷ng vÖ tinh Block II ®Çu tiªn b¾t ®Çu phãng vµo n¨m 1995. Cho ®Õn nay ®· cã 27 vÖ tinh cña hÖ thèng GPS ®ang ho¹t ®éng trªn ®¹o. Cïng cã tÝnh n¨ng t-¬ng tù víi hÖ thèng GPS ®ang ho¹t ®éng cßn cã hÖ thèng GLONASS cña Nga (nh-ng kh«ng th-¬ng m¹i ho¸ réng r·i) vµ mét hÖ thèng t-¬ng lai sÏ c¹nh thÞ tr-êng víi hÖ thèng GPS lµ hÖ thèng GALIEO cña Céng §ång Ch©u ¢u. ë ViÖt Nam, ph-¬ng ph¸p ®Þnh vÞ vÖ tinh ®· ®-îc øng dông tõ nh÷ng n¨m ®Çu thËp kû 90. Víi 5 m¸y thu vÖ tinh lo¹i 4000ST, 4000SST ban ®Çu sau mét thêi gian ng¾n ®· lËp xong l-íi khèng chÕ ë nh÷ng vïng ®Æc biÖt khã kh¨n mµ tõ tr-íc ®Õn nay ch-a cã l-íi khèng chÕ nh- T©y Nguyªn, Th-îng Nguån S«ng BÐ, Cµ Mau. Nh÷ng n¨m sau ®ã c«ng nghÖ GPS ®É ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong viÖc ®o l-íi cÊp "0" lËp hÖ quy chiÕu Quèc gia míi còng nh- viÖc lËp l-íi khèng chÕ h¹ng III phñ trïm l·nh thæ (gÇn 30000 ®iÓm) vµ nhiÒu l-íi khèng chÕ cho c¸c c«ng tr×nh d©n dông kh¸c[4]. Nh÷ng øng dông sím nhÊt cña GPS trong tr¾c ®Þa b¶n ®å lµ trong c«ng t¸c ®o l-íi khèng chÕ. HiÖn nay hÖ thèng GPS vÉn ®ang ph¸t triÓn ngµy cµng hoµn thiÖn vÒ phÇn cøng (thiÕt bÞ ®o) vµ phÇn mÒm (ch-¬ng tr×nh xö lý sè liÖu), ®-îc øng dông réng r·i vµo mäi d¹ng c«ng t¸c tr¾c ®Þa b¶n ®å, tr¾c ®Þa c«ng tr×nh d©n dông vµ c¸c c«ng t¸c ®Þnh vÞ kh¸c theo chiÒu h-íng ngµy cµng ®¬n gi¶n, hiÖu qña. 1.2 CÊu tróc hÖ thèng GPS GPS lµ mét hÖ thèng kü thuËt phøc t¹p, song theo sù ph©n bè kh«ng
12 gian ng-êi ta chia hÖ thèng GPS thµnh 3 phÇn gäi lµ §o¹n (Segment): - §o¹n Kh«ng Gian (Space Segment), - §o¹n ®iÒu khiÓn (Control Segment), - §o¹n ng-êi sö dông (User Segment). 1.2.1 §o¹n kh«ng gian §o¹n kh«ng gian bao gåm c¸c vÖ tinh nh©n t¹o ph¸t tÝn hiÖu bay trªn c¸c quü ®¹o x¸c ®Þnh quanh tr¸i ®Êt. VÖ tinh ®-îc ®-a vµo bay trong 6 mÆt ph¼ng quÜ ®¹o nghiªng 550 so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt, mçi mÆt ph¼ng quÜ ®¹o cã 4 hoÆc 5 vÖ tinh (xem h×nh 1.1). QuÜ ®¹o vÖ tinh gÇn h×nh trßn, ë ®é cao 12.600 dÆm (20.200km), chu kú 718 phót. Mçi vÖ tinh cã trang bÞ tªn löa ®Èy ®Ó ®iÒu chØnh quü ®¹o, thêi h¹n sö dông kho¶ng 7,5 n¨m. B¶ng 1.1 thèng kª nh÷ng vÖ tinh GPS ®· ®-îc phãng lªn quü ®¹o ®Õn th¸ng I/ 1997. B¶ng 1.1: C¸c vÖ tinh cña hÖ thèng GPS Block Sè hiÖu vÖ tinh Ngµy phãng vÖ tinh Tr¹ng th¸i ho¹t ®éng I 4 22/02/78 ChÕt ngµy 25/01/80 I 7 13/05/78 ChÕt ngµy 30/07/80 I 6 06/10/78 ChÕt ngµy 19/04/92 I 8 11/12/78 ChÕt ngµy 27/10/86 I 5 09/02/80 ChÕt ngµy 28/11/83 I 9 26/04/80 ChÕt ngµy 10/12/90 I 11 14/07/83 ChÕt ngµy 04/05/93 I 13 13/06/84 ChÕt ngµy 28/02/94 I 12 08/09/84 ChÕt ngµy 18/11/95 I 3 09/10/85 ChÕt ngµy 27/02/94 II 14 14/02/89 §ang ho¹t ®éng II 2 10/06/89 §ang ho¹t ®éng
13 II 16 17/08/89 §ang ho¹t ®éng II 19 21/10/89 §ang ho¹t ®éng II 17 11/12/89 §ang ho¹t ®éng II 18 24/01/90 §ang ho¹t ®éng II 20 25/03/90 ChÕtngµy 10/05/96 II 21 02/08/90 §ang ho¹t ®éng II 15 01/11/90 §ang ho¹t ®éng IIA 23 26/11/90 §ang ho¹t ®éng IIA 24 03/07/91 §ang ho¹t ®éng IIA 25 23/02/92 §ang ho¹t ®éng IIA 28 10/04/92 §ang ho¹t ®éng IIA 26 07/07/92 §ang ho¹t ®éng IIA 27 09/09/92 §ang ho¹t ®éng IIA 1 22/11/92 §ang ho¹t ®éng IIA 29 18/12/92 §ang ho¹t ®éng IIA 22 03/02/93 §ang ho¹t ®éng IIA 31 30/03/93 §ang ho¹t ®éng IIA 7 13/05/93 §ang ho¹t ®éng IIA 9 26/06/93 §ang ho¹t ®éng IIA 5 30/08/93 §ang ho¹t ®éng IIA 4 26/10/93 §ang ho¹t ®éng IIA 6 10/03/94 §ang ho¹t ®éng IIA 3 28/03/96 §ang ho¹t ®éng IIA 10 15/08/96 §ang ho¹t ®éng IIA 30 01/10/96 §ang ho¹t ®éng
14 H×nh 1.1: S¬ ®å quü ®¹o vÖ tinh hÖ thèng GPS H×nh 1.2: VÖ tinh GPS khèi II
15 I.2.2 §o¹n ®iÒu khiÓn §o¹n ®iÒu khiÓn lµ 5 tr¹m mÆt ®Êt ph©n bè ®Òu quanh tr¸i ®Êt trong ®ã 1 tr¹m chñ (Master Station) vµ 4 tr¹m theo dâi (Monitor Station). Tr¹m chñ ®Ætt¹i c¨n cø kh«ng qu©n Falcon ë Colorado Spring, bang Colorado, USA lµ n¬i nhËn, xö lý tÝn hiÖu thu ®-îc tõ c¸c vÖ tinh t¹i 4 tr¹m theo dâi. H×nh1.3: S¬ ®å §o¹n ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng GPS Sau khi sè liÖu GPS ®-îc thu thËp, xö lý, to¹ ®é vµ ®é lÖch ®ång hå cña tõng vÖ tinh ®-îc tÝnh to¸n vµ hiÖu chØnh t¹i tr¹m chñ tr¹m chñ vµ truyÒn tíi c¸c vÖ tinh hµng ngµy qua c¸c tr¹m theo dâi (xem h×nh 1.4). H×nh 1.4. S¬ ®å truyÒn tÝn hiÖu cña §o¹n ®iÒu khiÓn
16 1. 2. 3 §o¹n ng-êi sö dông §o¹n ng-êi sö dông bao gåm c¸c m¸y thu tÝn hiÖu vÖ tinh vµ phÇn mÒm sö lý tÝnh to¸n sè liÖu. M¸y thu tÝn hiÖu GPS cã thÓ ®Æt cè ®Þnh trªn mÆt ®Êt hay g¾n trªn c¸c ph-¬ng tiÖn chuyÓn ®éng nh- ®i bé, ®i xe ®¹p, « t«, m¸y bay, tµu biÓn, tªn löa, vÖ tinh nh©n t¹o... TÝn hiÖu vÖ tinh ®-îc thu qua anten m¸y thu. CÊu t¹o anten ®¼ng h-íng cu¶ m¸y thu GPS cã thÓ b¾t tÝn hiÖu GPS ë mäi h-íng. T©m pha cña anten lµ ®iÓm thu tÝn hiÖu vµ lµ ®iÓm x¸c ®Þnh to¹ ®é. Tuú theo môc ®Ých cña c¸c øng dông mµ c¸c m¸y thu GPS cã thiÕt kÕ cÊu t¹o kh¸c nhau cïng víi phÇn mÒm xö lý, vµ quy tr×nh thao t¸c thu thËp sè liÖu ë thùc ®Þa. 1.3 CÊu tróc tÝn hiÖu GPS Mét thµnh phÇn quan träng cña hÖ thèng GPS lµ tÝn hiÖu ph¸t tõ vÖ tinh ®Õn c¸c m¸y thu. ViÖc ph¸t vµ thu tÝn hiÖu lµ c¬ së cho viÖc ®o ®¹c víi hÖ thèng GPS. VËy, tÝn hiÖu GPS cã cÊu tróc nh- thÕ nµo ? TÝn hiÖu vÖ tinh lµ sãng ®iÖn tõ. Sãng ®iÖn tõ ®-îc dïng cho môc ®Ých ®o ®¹c cã nh÷ng th«ng sè ®Æc tr-ng, ®-îc nghiªn cøu, thö nghiÖm ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu nghiªm ngÆt vÒ ®é chÝnh x¸c, tÝnh æn ®Þnh vµ yªu yªu cÇu kü thu©t kh¸c. VÒ mÆt vËt lý, tÝn hiÖu vÖ tinh cã c¸c th«ng sè c¬ b¶n ®ã lµ b-íc sãng, tÇn sè vµ c¸c m· ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i. 1.3.1 TÇn sè c¬ b¶n TÇn sè c¬ b¶n cña sãng truyÒn tÝn hiÖu vÖ tinh cña hÖ thèng GPS lµ fo = 10.23 MHz.
17 1.3.2 C¸c th«ng tin ®iÒu biÕn ViÖc sö dông tÝn hiÖu m· ho¸ cho phÐp c¸c vÖ tinh GPS cïng ho¹t ®éng mµ kh«ng bÞ nhiÔu, mçi vÖ tinh ph¸t ®i mét m· gi¶ ngÉu nhiªn riªng biÖt. M¸y thu GPS nhËn d¹ng ®-îc tÝn hiÖu cña tõng vÖ tinh trªn nÒn nhiÔu kh«ng x¸c ®Þnh cña kh«ng gian bao quanh tr¹m ®o, ®iÒu ®ã cho phÐp tÝn hiÖu GPS kh«ng ®ßi hái c«ng suÊt lín vµ m¸y thu GPS cã thÓ sö dông anten nhá h¬n, kinh tÕ h¬n. Cã 3 lo¹i m· ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i ®ã lµ : C/A.Code (Coarse Acquisition), P.Code vµ Y.Code. + C/A Code- m· s¬ bé M· C/A.Code lµ m· gi¶ ngÉu nhiªn (PRN) ®-îc ph¸t ®i víi tÇn sè 1.023 MHz (fo/10). M· nµy lµ chuçi ch÷ sè 0 vµ 1 s¾p xÕp theo quy luËt tùa ngÉu nhiªn lÆp l¹i víi tÇn suÊt 1/1000gi©y. Mçi vÖ tinh ®-îc g¸n 1 m· C/A.Code riªng biÖt. M· C/A.Code chØ ®-îc ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i L1. Ph-¬ng tr×nh gi¶i m· C/A kh«ng b¶o mËt do vËy m· C/A.Code th«ng dông trong nhiÒu m¸y thu d©n sù dïng ®Ó dÉn ®-êng vµ lËp b¶n ®å tû lÖ nhá. + P.Code - m· chÝnh x¸c P.Code lµ m· gi¶ ngÉu nhiªn (PRN) thø hai, ph¸t ®i víi tÇn sè c¬ b¶n fo = 10.23 MHz. M· nµy t¹o bëi nhiÒu chuçi ch÷ sè 0 vµ 1 s¾p xÕp theo quy luËt tùa ngÉu nhiªn. TÝn hiÖu nµy lÆp l¹i víi tÇn suÊt 267 ngµy. Chu kú 267 ngµy chia thµnh 38 ®o¹n 7 ngµy, trong ®ã 6 ®o¹n giµnh riªng cho môc ®Ých vËn hµnh. Mçi mét ®o¹n 7 ngµy cßn l¹i ®-îc g¸n m· ph©n biÖt cho tõng vÖ tinh. P-Code còng sö dông cho môc ®Ých øng dông ®o ®¹c qu©n sù cã ®é chÝnh x¸c cao.
18 + Y.Code Y.Code lµ m· b¶o mËt cña P.Code. ViÖc gi¶i m· Y.Code chØ thuéc vÒ ng-êi dïng cã thÈm quyÒn. V× vËy khi kÝch ho¹t Y.Code th× ng-êi dïng sÏ kh«ng cã kh¶ n¨ng sö dông c¶ P.Code lÉn Y.Code. ViÖc sö dông Y.Code ®-îc coi lµ m· b¶o mËt (Anti-Spoofing) cña ng-êi chñ hÖ thèng GPS. 1.3.3 C¸c lo¹i sãng t¶i cña hÖ thèng GPS TÝn hiÖu phôc vô cho viÖc ®o ®¹c b»ng hÖ thèng GPS ®-îc ®iÒu biÕn sãng t¶i cã c¸c ®é dµi b-íc sãng kh¸c nhau. §ã lµ c¸c th«ng tin vÒ thêi gian vµ vÞ trÝ cña vÖ tinh. Mçi vÖ tinh cã m· riªng ph¸t trªn 2 tÇn sè t¶i. - Sãng t¶i cã b-íc sãng L1~19cm víi tÇn sè 54*fo =1575,42 MHz - Sãng t¶i cã b-íc sãng L2~24,4cm víi tÇn sè 120*fo=1227,60 MHz M· C/A Code chØ ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i L1, M· chÝnh x¸c P.Code ®iÒu biÕn c¶ hai sãng t¶i L1 vµ L2. 1.3.4 C¸c th«ng b¸o vÖ tinh Th«ng b¸o dÉn ®-êng do vÖ tinh ph¸t ®i ë tÇn sè thÊp 50 Hz, th«ng b¸o nµy chøa d÷ liÖu vÒ tr¹ng th¸i cña vÖ tinh vµ vÞ trÝ cña chóng. M¸y thu GPS gi¶i m· th«ng b¸o ®Ó cã ®-îc vÞ trÝ vµ tr¹ng th¸i ho¹t ®éng cña vÖ tinh, sè liÖu ®· gi¶i m· nµy gäi lµ Ephemeris. Th«ng b¸o dÉn ®-êng ®iÒu biÕn trªn c¶ hai tÇn sè sãng t¶i. Nã chia thµnh 5 ®o¹n : Ephemeris, Almanac, m« h×nh khÝ quyÓn, c¸c sè hiÖu chØnh ®ång hå, th«ng b¸o tr¹ng th¸i . Th«ng b¸o vÖ tinh ®-îc sö dông trong ch-¬ng tr×nh lËp lÞch ®o vµ tÝnh to¸n xö lý kÕt qu¶ ®o. C¸c tham sè th«ng b¸o tr¹ng th¸i cña vÖ tinh bao gåm:
19 1.3.5 VÖ tinh khoÎ hoÆc kh«ng khoÎ (Healthy or Unhealthy) C¸c vÖ tinh th-êng ph¸t ®i th«ng b¸o tr¹ng th¸i khoÎ hay kh«ng khoÎ trong tÝn hiÖu cña nã. M¸y thu GPS sÏ tr¸nh sö dông vÖ tinh kh«ng khoÎ. Th«ng th-êng c¸c vÖ tinh bÞ tr¹m theo dâi coi lµ kh«ng khoÎ v× nh÷ng lý do sau : -VÖ tinh míi phãng lªn quü ®¹o, lóc ®Çu cßn ph¶i thùc hiÖn c¸c thao t¸c kiÓm tra quü ®¹o vÖ tinh vµ tr¹ng th¸i ®ång hå, - VÖ tinh ®ang b¶o tr× ®Þnh kú chuyÓn ®éng quü ®¹o, b¶o tr× ®ång hå. - VÖ tinh ®ang ®-îc kiÓm tra chuyªn m«n, hoÆc khi vÖ tinh bÞ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng theo c¸ch g©y sai sè lín, - Khi vÖ tinh ®ang ®-îc söa ch÷a nh÷ng ®éng th¸i bÊt th-êng, ho¹t ®éng sai chøc n¨ng. Bé Quèc Phßng Qu©n §éi Mü (DoD - Department of Defence) lµ ng-êi c«ng bè mçi khi ®Æt vÖ tinh vµo tr¹ng th¸i "kh«ng khoÎ". Th«ng tin nµy cã s½n qua mét sè dÞch vô th«ng b¸o ®iÖn tö, nh- "Trimble BBS" cña h·ng Trimble. Tr¹ng th¸i khoÎ cña tÊt c¶ c¸c vÖ tinh ®-îc th«ng b¸o trong th«ng sè Almanac do tõng vÖ tinh ph¸t ®i. Sè liÖu Almanac do DoD cËp nhËt hµng ngµy vµ ®-îc vÖ tinh ph¸t ®i c¸ch qu·ng chõng 12.5 phót mét lÇn. 1.3.6 VÖ tinh ho¹t ®éng vµ kh«ng ho¹t ®éng (Enable or Disable) Trong m¸y thu GPS tÊt c¶ c¸c vÖ tinh ®Òu mÆc ®Þnh lµ ho¹t ®éng. Cã nghÜa lµ chóng ®Òu ®-îc kÓ ®Õn trong mäi phÐp tÝnh ( víi ®iÒu kiÖn vÖ tinh khoÎ ). Mét sè m¸y thu cho tuú chän kh«ng kÝch ho¹t vÖ tinh khoÎ khiÕn cho m¸y thu bá qua vÖ tinh ®ã. H·ng Trimble khuyÕn nghÞ ng-êi dïng kÝch ho¹t sö dông tÊt c¶ c¸c vÖ tinh.
20 1.3.7 §é chÝnh x¸c dù b¸o ®o kho¶ng c¸ch (URE) Gi¸ trÞ URE cã trong tÝn hiÖu vÖ tinh. Gi¸ trÞ nµy dù b¸o ®é chÝnh x¸c trÞ ®o ®Õn mét vÖ tinh nhÊt ®Þnh. URE cña tõng vÖ tinh cã thÓ xem trªn mµn h×nh cña m¸y thu. VÞ trÝ cña tõng vÖ tinh cã trong th«ng tin qòi ®¹o ephemeris. Do ®ã, vÞ trÝ cña anten m¸y thu ®-îc x¸c ®Þnh khi biÕt to¹ ®é c¸c vÖ tinh vµ kho¶ng c¸ch t-¬ng øng ®Õn m¸y thu b»ng c¸ch tÝnh giao héi nghÞch kh«ng gian . Nh- vËy t¹i mét ®iÓm thu tÝn hiÖu vÖ tinh bÊt kú trong kh«ng gian, to¹ ®é cña ®iÓm ®-îc x¸c ®Þnh. §©y lµ ®iÓm hoµn toµn míi so víi c¸c nguyªn t¾c ®o ®¹c truyÒn thèng. VÊn ®Ò gi¶i to¹ ®é còng nh- ®é chÝnh x¸c vÒ to¹ ®é ®iÓm ®o sÏ ®-îc ®Ò cËp ®Õn trong c¸c phÇn cô thÓ sau. 1. 4 C¸c trÞ §o GPS TrÞ ®o GPS lµ nh÷ng sè liÖu mµ m¸y thu GPS nhËn ®-îc tõ tÝn hiÖu cña vÖ tinh truyÒn tíi. Mçi vÖ tinh GPS ph¸t 4 th«ng sè c¬ b¶n dïng cho viÖc ®o ®¹c chia thµnh 2 nhãm bao gåm: + Nhãm trÞ ®o Code: - C/A.Code, - P.Code. + Nhãm trÞ ®o pha: - L1- Carrier, - L2- Carrier, - Tæ hîp L1/L2. C¸c trÞ ®o nµy cã thÓ sö dông riªng biÖt hoÆc kÕt hîp ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng c¸ch ®Õn tõng vÖ tinh.