CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
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).
I.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
- 5 -
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. 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.
I.1.2. Phần không gian (Space Segment):
I.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 55
o
. 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".
I.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
- 6 -
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 180
0
, 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.
I.1.3. 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
α=1:29825722.
I.1.3.1 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.
- 7 -
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.
I.1.3.2 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
- 8 -
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.
I.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 x y y z z
s
p
s
p
s
p
. . ( ) ( ) ( )+ = − + − + −∆
2 2 2
(1)
ở đây: s=[x
s
y
s
z
s
] - Tọa độ vệ tinh;
p=[x
p
y
p
z
p
] - 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, x
p
y
p
z
p
trong đó x
s
y
s
z
s
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.
- 9 -
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 = Nλ + ϕλ (2)
Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f)
f: Tần số sóng;
N: Số nguyên lần bước sóng;
ϕ: Pha của sóng;
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (2) chúng ta có:
ϕ = (f/c).S - N (3)
Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
ϕ(t) = φ
s
(t
s
) - φ
p
(t) + N
s
p
(4)
φ
s
(t
s
) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;
φ
p
(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
N
s
p
- Số nguyên lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
ϕ(t) = φ
s
(t) - (f/c).S
s
p
- φ
p
(t) + N
s
p
(5)
Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng:
ϕ(t) = - (f/c).S
s
p
- α
p
(t) + β
s
(t) + γ
s
p
(6)
Trong đó:
α
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)
β
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)
γ
s
p
(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 φ
s
(t
o
) - φ
p
(t
o
) + N
s
p
, trong đó t
o
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.
- 10 -
I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG
GPS
I.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.
I.3.2 Phép định vị tương đối.
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:
- 11 -
* 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.
I.3.3 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.
I.3.4 Phép định vị động tương đối
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.
- 12 -
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.
I.3.5 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: σ = DOP. σ
o
Trong đó σ
o
là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)
σ 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. σ
o
là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.
HDOP. σ
o
là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.
PDOP. σ
o
là độ chính xác vị trí không gian 3D.
TDOP. σ
o
là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.
THDOP. σ
o
là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.
GDOP. σ
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.
I.3.6 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.
- 13 -
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).
I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS
I.4.1 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.
I.4.2 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.
I.4.3 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
- 14 -
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét