Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS

H» thèng ành và to n c¦u (GLOBAL POSITIONING

SYSTEM - GPS)

Version 1.2: Nov 26, 2007 8:43 pm US/Central

Vã Quang Minh

This work is produced by The Vietnam OpenCourseWare Project using Connexions software tools

and licensed under the Creative Commons Attribution License∗

Tâm t­t nëi dung Trong l¾nh vüc GIS, mët l¾nh vüc quan trång khæng thº bä qua v  sû döng kÿ thuªt GPS nh÷ l  mët cæng cö cho dú li»u ¦u v o v  dú li»u th¡m s¡t ¥y l  mët kÿ thuªt kh¡ mîi v  t÷ìng èi ti¸n bë nh÷ng c¡c ùng döng t«ng d¦n trong l¾nh vüc nghi¶n cùu cõa GIS

H» thèng ành và to n c¦u (GLOBAL POSITIONING SYSTEM - GPS)

1 GPS L€ Gœ?

GPS, h» thèng ành và to n c¦u, ÷ñc c§u th nh nh÷ mët chám sao (câ ngh¾a c§u t¤o cõa mët nhâm hay mët h» thèng) cõa quÿ ¤o v» tinh m , k¸t hñp vîi thi¸t bà ð m°t §t, cho ph²p ng÷íi sû döng quy¸t ành và tr½ ch½nh x¡c cõa hå b§t ký lóc n o tr¶n b· m°t tr¡i §t

ð b§t ký thíi gian n o Câ 24 v» tinh tr¶n quÿ ¤o bay

H¼nh 7.1: Quÿ ¤o bay cõa 24 v» tinh (Nguçn : Garmin, 2005)

Ð b§t ký thíi gian n o, m  khæng câ b§t ký ch÷îng ng¤i quan s¡t n o cõa b¦u tríi, ð và tr½ quan s¡t â n¶n câ ½t nh§t 4  6 v» tinh nh¼n th§y Khæng n¤p i»n cho vi»c sû döng h» thèng v» tinh, m°c dò méi ng÷íi sû döng ph£i cung c§p thi¸t bà ch½nh hå, nâi chung trong h¼nh thùc cõa bë phªn ghi nhªn t½n hi»u

H¼nh 7.2: H» thèng ành và to n c¦u GPS (Nguçn : Garmin, 1999)

2 CC TH€NH PH†N CHNH CÕA GPS

H» thèng ành và to n c¦u bao gçm 3 bë phªn: bë phªn ng÷íi sû döng, bë phªn khæng gian

v  bë phªn i·u khiºn

∗ http://creativecommons.org/licenses/by/2.0/

2.1 Bë phªn ng÷íi sû döng (User Segment)

Bë phªn ng÷íi sû döng l  ng÷íi sû döng v  GPS ghi nhªn GPS ghi nhªn l  mët m¡y thu t½n hi»u sâng væ tuy¸n °c bi»t Nâ ÷ñc thi¸t k¸ º nghe t½n hi»u sâng væ tuy¸n ÷ñc truy·n

tø c¡c v» tinh v  t½nh to¡n và tr½ düa tr¶n thæng tin â GPS ghi nhªn câ nhi·u k½ch cï kh¡c nhau, h¼nh d¡ng v  gi¡ c£ kh¡c nhau

T½nh ch§t v  gi¡ c£ cõa GPS ghi nhªn nâi chung l» thuëc v o chùc n«ng m  bë phªn thu nhªn câ þ ành Bë phªn thu nhªn dòng cho ng nh h ng h£i v  h ng khæng th÷íng sû döng cho t½nh n«ng giao di»n vîi th´ nhî chùa b£n ç i biºn Bë phªn thu nhªn dòng cho b£n ç kh£ n«ng ch½nh x¡c r§t cao v  câ giao di»n ng÷íi sû döng cho ph²p ghi nhªn dú li»u nhanh châng

2.2 Bë phªn khæng gian (Space Segment)

Bë phªn khæng gian gçm c¡c v» tinh GPS m  nâ truy·n thíi gian v  và tr½ tîi ng÷íi sû döng Tªp hñp t§t c£ c¡c v» tinh n y ÷ñc gåi l  chám sao

H¼nh 7.3: C¡c th nh ph¦n ch½nh cõa GPS (Nguçn : Garmin, 2000)

2.2.1 H» thèng NAVSTAR (Mÿ)

H» thèng NAVSTAR gçm 24 v» tinh vîi 6 quÿ ¤o bay C¡c v» tinh n y ho¤t ëng ð quÿ

¤o câ ë cao 20.200 km (10,900 nm) ð gâc nghi¶ng 55 ë v  vîi thíi gian 12 gií/quÿ ¤o Quÿ ¤o bay khæng gian cõa c¡c v» tinh ÷ñc s­p x¸p º tèi thiºu 5 v» tinh s³ ÷ñc ng÷íi

sû döng nh¼n th§y bao phõ to n c¦u, vîi và tr½ ch½nh x¡c ho n to n (position dilution of precision PDOP) cõa 6 v» tinh ho°c ½t hìn

Méi v» tinh truy·n tr¶n 2 band t¦n sè L, L1 câ t¦n sè 1575.42 MHz v  L2 câ t¦n sè 1227.6 MHz Méi v» tinh truy·n tr¶n còng t¦n sè x¡c ành; tuy nhi¶n, t½n hi»u méi v» tinh th¼ thay êi theo thíi gian ¸n ng÷íi sû döng L1 mang m¢ P (precise (P) code) v  m¢ C/A (coarse/acquisition (C/A) code) L2 ch¿ mang m¢ P (P code)

Thæng tin dú li»u h ng h£i ÷ñc th¶m c¡c m¢ n y Thæng tin dú li»u h ng h£i gièng nhau ÷ñc mang c£ 2 band t¦n sè M¢ P th¼ th÷íng ÷ñc m¢ ho¡ v¼ th¸ ch¿ m¢ C/A th¼

câ s®n ¸n ng÷íi sû döng b¼nh th÷íng; tuy nhi¶n, mët v i thæng tin câ thº nhªn ÷ñc tø m¢ P Khi m¢ ho¡, m¢ P ÷ñc hiºu nh÷ m¢ Y Méi v» tinh câ 2 sè nhªn d¤ng ¦u ti¶n

l  sè NAVSTAR vîi nhªn d¤ng tr¶n thi¸t bà v» tinh °c bi»t Thù hai l  sè sv (the space vehicle (sv) number) Sè n y ÷ñc §n ành º ra l»ch phâng v» tinh Thù ba l  sè m¢ ti¸ng

¥m thanh (the pseudo-random noise-PRN) ¥y ch¿ l  sè nguy¶n m  nâ ÷ñc sû döng º m¢ t½n hi»u tø c¡c v» tinh â Mët v i m¡y ghi nhªn nhªn bi¸t v» tinh m  chóng ang ghi nhªn tø m¢ SV, ho°c m¢ kh¡c tø m¢ PRN

2.2.2 H» thèng GLONASS (Nga)

H» thèng GLONASS gçm 24 v» tinh, 8 v» tinh cho mët quÿ ¤o bay gçm 3 quÿ ¤o C¡c v» tinh ho¤t ëng vîi quÿ ¤o câ ë cao 19,100 km orbits ð gâc nghi¶ng 64.8 ë v  11 gií 15 phót/ quÿ ¤o Méi v» tinh truy·n tr¶n 2 nhâm t¦n sè L (two L frequency groups) Nhâm L1 l  t¥m ð t¦n sè 1609 MHz trong khi nhâm L2 ÷ñc «ng kþ ð t¦n sè 1251MHz Méi v» tinh truy·n tr¶n mët c°p t¦n sè duy nh§t T½n hi»u GLONASS mang c£ m¢ P (precise (P) code) v  m¢ C/A (coarse/acquisition (C/A) code) M¢ P ÷ñc m¢ ho¡ cho qu¥n ëi sû döng trong khi â m¢ C/A th¼ câ s®n cho cæng d¥n sû döng

2.3 Bë phªn i·u khiºn (Control Segment)

Bë phªn i·u khiºn gçm to n bë thi¸t bà tr¶n m°t §t ÷ñc sû döng º gi¡m s¡t v  i·u khiºn c¡c v» tinh Bë phªn n y th÷íng ng÷íi sû döng khæng nh¼n th§y, nh÷ng ¥y l  bë

phªn quan trång cõa h» thèng Bë phªn i·u khiºn NAVSTAR, ÷ñc gåi l  h» thèng i·u khiºn ho¤t ëng (operational control system (OCS)) gçm c¡c tr¤m gi¡m s¡t, mët tr¤m i·u khiºn ch½nh (master control station (MCS)) v  anten quay

C¡c tr¤m gi¡m thö ëng khæng nhi·u hìn GPS nhªn m  ÷íng bay cõa c¡c v» tinh ÷ñc nh¼n th§y v  do â ph¤m vi t½ch luÿ dú li»u tø t½n hi»u v» tinh Câ 5 tr¤m gi¡m s¡t thö

ëng, to¤ l¤c ð Colorado Springs, Hawaii, £o Ascencion, Diego Garcia v  Kwajalein C¡c tr¤m gi¡m s¡t gði dú li»u thæ v· tr¤m MSC º xû lþ

Tr¤m MCS d÷ñc to¤ l¤c ð Falcon Air Force Base, c¡ch 12 d°m v· ph½a æng cõa Colorado Springs, Colorado v  ÷ñc Mÿ qu£n lþ Air Force's 2nd Space Operations Squadron (2nd SOPS) Tr¤m MCS nhªn dú li»u tø tr¤m gi¡m s¡t trong thíi gian 24 gií/ng y v  sû döng thæng tin n y º x¡c ành n¸u c¡c v» tinh ang kho¡ ho°c làch thi¶n v«n thay êi v  º ph¡t hi»n thi¸t bi tröc tr°c Thæng tin v· t u thu di chuyºn v  làch thi¶n v«n ÷ñc t½nh to¡n tø t½n hi»u gi¡m s¡t v  chuyºn ¸n v» tinh mët l¦n ho°c hai l¦n/ng y

Thæng tin t½nh to¡n bði tr¤m MCS, còng vîi c¡c m»nh l»nh duy tr¼ th÷íng xuy¶n ÷ñc truy·n bði anten xoay tr¶n m°t §t Anten n y to¤ l¤c t¤i £o Ascencion, Diego Garcia

v  Kwajalein Anten câ õ ph÷ìng ti»n º truy·n ¸n v» tinh theo ÷íng li¶n k¸t sâng væ tuy¸n band S

Th¶m v o â chùc n«ng ch½nh cõa tr¤m MCS duy tr¼ 24 gií h» thèng b£n tin i»n tû vîi t¼nh tr¤ng v  tin tùc h» thèng sau còng Cæng d¥n li¶n l¤c cho v§n · n y vîi The United States Coast Guard's (USCG) Navigation Center (NAVCEN)

3 H› THÈNG L€M VI›C NH× TH˜ N€O?

Cì b£n, GPS sû döng nguy¶n t­c h÷îng th¯ng t÷ìng èi cõa h¼nh håc v  l÷ñng gi¡c håc Méi v» tinh truy·n li¶n töc dú li»u quÿ ¤o cho t§t c£ c¡c chám sao v» tinh cëng th¶m dú li»u ¸n kàp thíi v  thæng tin kh¡c Do â, méi GPS nhªn (receiver) li¶n töc truy cªp dú li»u quÿ ¤o ch½nh x¡c tø và tr½ cõa t§t c£ v» tinh câ thº t½nh to¡n b¬ng c¡c vi m¤ch câ tr¶n t§t c£ c¡c GPS nhªn Tø â t½n hi»u ho°c sâng væ tuy¸n di chuyºn ð vªn tèc h¬ng sè, GPS nhªn câ thº t½nh to¡n kho£ng c¡ch li¶n quan tø GPS ¸n c¡c v» tinh kh¡c m  nâ câ thº nghe b¬ng c¡ch so s¡nh dú li»u thíi gian ÷ñc truy·n b¬ng c¡c v» tinh

H¦u h¸t GPS nhªn câ thº o và tr½ cõa nâ (kinh v¾ ë) khi â GPS câ thº §n ành ½t nh§t 3 v» tinh v  s³ cung c§p gi¡ trà ë cao (so vîi m°t n÷îc biºn) vîi ½t nh§t 4 v» tinh

4 GPS CHNH XC NH× TH˜ N€O?

Lþ thuy¸t cè húu v· ë ch½nh x¡c cõa GPS khæng qu¡ 10m (<= 30 feet) Tuy nhi¶n, º b£o mªt lþ do an to n quèc gia, Bë Quèc pháng Mÿ (the United State Department Defense), cho ch½nh h» thèng v» tinh GPS, th÷íng giîi h¤n ë ch½nh x¡c câ thº ¤t ÷ñc bði ng÷íi sû döng Thüc t¸ ch¿ rã hi»u su§t sai sè cõa m¡y s³ khæng qu¡ 100m (kho£ng 300 feet) Thüc

sü thæng tin và tr½ kinh v¾ ë ¢ hiºn thà tr¶n GPS nhªn s³ sai sè khæng qu¡ 120 ¸n 180 feet

4.1 S/A Dithering

ë ch½nh x¡c ÷ñc giîi h¤n bði ti¸n tr¼nh ch½nh thùc ÷ñc bi¸t nh÷ Selective Availability (S/A) v  gåi chung l  nhi¹u ("dithering") i·u n y ÷ñc thüc hi»n bði dú li»u thíi gian ¢ truy·n bði v» tinh ð mùc ë nhä v¼ vªy k¸t qu£ t½nh to¡n và tr½ dao ëng xung quanh sai sè nhä n y ¥y l  ti¸n tr¼nh ng¨u nhi¶n qu¡ ìn gi£n gi¡ trà trung b¼nh s³ khæng lo¤i bä to n

bë sai sè g¥y ra ìn và bë ëi ch°n l¤i b¬ng mët thuªt to¡n m¡y t½nh (câ ngh¾a l  ch÷ìng tr¼nh) º chèng l¤i ho°c hi»u ch¿nh nhi¹u ¥y ÷ñc gåi l  m¢ P (P-Code)

4.2 Cao ë (Elevation)

Thæng tin ch½nh x¡c v· cao ë cung c§p bði GPS l  thæng tin và tr½ tr¶n b· m°t (to¤ ë kinh v¾ ë) i·u n y tuý thuëc v o àa h¼nh tîi v» tinh, khi c¡c v» tinh th÷íng ½t ho°c nhi·u hìn tr¶n b¦u tríi, gâc thu nhªn dèc ùng

4.3 Vªn tèc (Speed)

Ð vªn tèc d÷îi 2 d°m/gií, £nh h÷ðng nhi¹u l  £nh h÷ðng o vªn tèc cung c§p bð GPS; tuy nhi¶n, ð vªn tèc nhanh hìn, £nh h÷ðng cõa nhi¹u th¼ khæng ¡ng kº khi nhi¹u d¦n d¦n ríi r¤c

5 THÜC H€NH SÛ DÖNG GPS

H» thèng b£n v³ GPS ÷ñc sû döng cho c¡c ùng döng kh¡c nhau Chóng t¤o v  cªp nhªt

cì sð dú li»u GIS trong r§t nhi·u c¡c l¾nh vüc nh÷ khoa håc t i nguy¶n thi¶n nhi¶n, ph¥n t½ch v  ph¡t triºn æ thà, næng nghi»p v  khoa håc x¢ hëi Và tr½, thíi gian v  thæng tin thuëc t½nh ÷ñc thu thªp b¬ng c¡ch i bë, xe ¤p, xe mætæ v  m¡y bay xung quanh c¡c và tr½ quan t¥m

• Ng nh h ng h£i (Navigation) - ÷ñc sû döng ch½nh cho t u thu v  h£i phªn tr¶n khæng nh÷ng ph£i câ sü gi¡m s¡t ð m°t §t

• Gi¡m s¡t vi sai (Differential Surveying) (Real time digitizing)- ÷ñc sû döng mð rëng cho möc ½ch gi¡m s¡t nh÷ qui ho¤ch vòng

• GPS câ thº sû döng cho c£ vi»c x¥y düng b£n ç v  c¡c và tr½ mîi câ s®n tr¶n b£n ç

• Ùng döng trong næng nghi»p (Agricultural Applications)  trong qu£n lþ s¥u b»nh (Pest management): ùng döng ch½nh x¡c thuèc trø s¥u cho c¥y trçng

6 THU THŠP DÚ LI›U GPS CHO GIS

GPS l  cæng cö ho n h£o thu thªp dú li»u cho vi»c x¥y düng v  b£o qu£n GIS Câ mët v i v§n · °c bi»t ÷ñc nhªn th§y khi sû döng GPS º thu thªp dú li»u cho GIS Chóng ta ph£i x¡c ành thu thªp c¡i g¼, khi n o v  ð ¥u º thu thªp dú li»u v  thu thªp dú li»u nh÷ th¸ n o

7 XC ÀNH TO„ Ë MËT IšM

º x¡c ành ÷ñc to¤ ë cõa mët iºm th¼ GPS ph£i o ÷ñc kho£ng c¡ch tîi ½t nh§t 4 v» tinh v  và tr½ cõa c¡c v» tinh

- GPS nhªn ÷ñc hai lo¤i thæng tin d¤ng m¢ tø v» tinh, â l  almanac v  ephemeric: + Dú li»u almanac: cho bi¸t và tr½ cõa nhúng v» tinh ð g¦n nhau, dú li»u n y ÷ñc truy·n t£i v  l÷u trú trong bë nhî GPS v  ÷ñc cªp nhªt th÷íng xuy¶n khi v» tinh bay + Dú li»u ephemeric: bao gçm quÿ ¤o bay, ë cao, và tr½ v  tèc ë bay cõa méi v» tinh (làch thi¶n v«n)

Khi GPS nhªn ÷ñc hai lo¤i thæng tin n y s³ x¡c ành ÷ñc và tr½ cõa c¡c v» tinh H¼nh 7.4: çng hç x¡c ành thíi gian tr¶n v» tinh (Nguçn : Garmin, 1999)

- B¶n c¤nh â GPS c¦n ph£i bi¸t kho£ng c¡ch tø c¡c v» tinh ¸n và tr½ c¦n x¡c ành tr¶n m°t §t, b¬ng cæng thùc:

s = v * t

s: kho£ng c¡ch

v: vªn tèc

t: thíi gian

Trong cæng thùc n y ta ch¿ x¡c ành y¸u tè thíi gian v¼ vªn tèc ÷íng truy·n t½n hi»u b¬ng vîi vªn tèc ¡nh s¡ng (300.000 km/s)

Thíi gian ÷ñc t½nh tø lóc v» tinh truy·n t½n hi»u ¸n khi GPS nhªn ÷ñc t½n hi»u Khi â GPS s³ t½nh ÷ñc to¤ ë t¤i mët iºm b¬ng ph÷ìng ph¡p giao hëi c¤nh trong khæng gian