Kỹ thuật định vị sai SGPS

LỜI NÓI ĐẦU3I:TỔNG QUAN VỀ GPS41: GPS LÀ GÌ ?42: CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS43: GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ104: CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ GPS12II: KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VI SAI DGPS161:Cơ sở lý thuyết162: Nguyên lý đo DGPS193. Định dạng format số liệu233.3. Các loại thông báo (Massage Type).243.3.1 Loại thông báo 1 (Massage Type 1)253.3.2. Thông báo 2 (Massage Type 2).273.3.3. Thông báo 3 (Massage Type 3).303.3.4. Thông báo 5 (Message Type 5)313.3.5. Thông báo 16 (Message Type 16) thông báo đặc biệt.324. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DGPS334.1. Kỹ Thuật MSK – DGPS với các trạm Beacon.334.1.1 Yêu cầu chung của một trạm Beacon control là:334.1.2. Hệ thống antena bao gồm các phần chinh sau:354.1.3. Hoạt động của máy GPS monitor tại tram Beacon control374.2. Các chức năng báo động và thông báo (Alams and massage) của RSIM384.3. Phương pháp DGPS diện rộng (Wide area Differential GPS – WADGPS)404.4. Kỹ thuật DGPS truyền thông giải tần số cao UHF hoặc VHF424.5. Các nguồn sai số tác động đến độ chính xác DGPS494.5.1. Sai số S/A (Selectice Availalility)494.5.2. Sự trể do ảnh hưởng của chiết xuất của tầng ion trong khí quyển.504.5.3. Sự trể tín hiệu do ảnh hưởng chiết quang của tầng đố lưu.504.5.4. Sai số quỷ đạo vệ tinh.504.5.5 Sai số về đồng hồ vệ tinh514.5.6 Sai số của đồng hồ máy thu GPS514.5.7 Sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến514.5.8 Độ chính xác do ảnh hưởng của đồng hồ vệ tinh514.6. Một số thiết bị ứng dụng công nghệ DGPS ở Việt Nam534.6.1. Thiết bị đồng bộ DGPS sủ dụng tần số cao VHF hay UHF534.6.2. Cấu trúc và tính năng kỹ thuật các thiết bị dung trong công nghệ cải chính DGPS giải tần số cao.54III. MỘT SỐ Ý KIẾN KIẾM NGHỊ ĐỂ THÀNH LẬP MẠNG DGPS Ở VIỆT NAM561: Những lợi ích và ứng dụng của mạng DGPS ở VIệt Nam.561.1 Đạo hàng571.2 Thời gian chính xác571.3 Lập bản đồ địa hình571.4 Đối với mục đích quân sự571.5 Nghiên cức khoa học582: Một số ý kiến kiến nghị để thiết lập mạng DGPS ở Việt Nam582.2: Đặc điểm địa hình và hoạt động.582.3:Trước tiên ta có thể xem xét lợi ích của GPS và DGPS trên cơ sở đặc điểm địa hình đất nước59KẾT LUẬN62

LỜI NÓI ĐẦU 3

1: GPS LÀ GÌ ? 4

2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS 4

3: GPS CÓ THỂ ĐO NHỮNG GÌ 10

12

4: CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ GPS 12

II: KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VI SAI DGPS 16

1:Cơ sở lý thuyết 16

2: Nguyên lý đo DGPS 19

3 Định dạng format số liệu 23

3.3 Các loại thông báo (Massage Type) 25

3.3.1 Loại thông báo 1 (Massage Type 1) Cải chính phân sai DGPS (Diferrentinal GPS Corections) .25

3.3.2 Thông báo 2 (Massage Type 2) Delta Differential GPS Correction 28

3.3.3 Thông báo 3 (Massage Type 3) Thông báo của trạm Refrence 31

3.3.4 Thông báo 5 (Message Type 5) là chum vệ tinh khỏe (Constellation heath) 32

3.3.5 Thông báo 16 (Message Type 16) thông báo đặc biệt 32

4 CÁC PHƯỜN PHÁP ĐO DGPS 33

4.1 Kỹ Thuật MSK – DGPS với các trạm Beacon 33

4.1.1 Yêu cầu chung của một trạm Beacon control là: 33

4.1.2 Hệ thống antena bao gồm các phần chinh sau: 35

4.2 Các chức năng báo động và thông báo (Alams and massage) của RSIM 39

4.3 Phương pháp DGPS diện rộng (Wide area Differential GPS – WADGPS) 40

4.4 Kỹ thuật DGPS truyền thông giải tần số cao UHF hoặc VHF 42

4.5 Các nguồn sai số tác động đến độ chính xác DGPS 49

4.5.1 Sai số S/A (Selectice Availalility) 49

4.5.2 Sự trể do ảnh hưởng của chiết xuất của tầng ion trong khí quyển 50

4.5.3 Sự trể tín hiệu do ảnh hưởng chiết quang của tầng đố lưu 50

4.5.4 Sai số quỷ đạo vệ tinh 50

4.5.5 Sai số về đồng hồ vệ tinh 51

4.5.6 Sai số của đồng hồ máy thu GPS 51

4.5.7 Sai số do ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến 51

4.5.8 Độ chính xác do ảnh hưởng của đồng hồ vệ tinh 51

4.6 Một số thiết bị ứng dụng công nghệ DGPS ở Việt Nam 53

4.6.1 Thiết bị đồng bộ DGPS sủ dụng tần số cao VHF hay UHF 53

4.6.2 Cấu trúc và tính năng kỹ thuật các thiết bị dung trong công nghệ cải chính DGPS giải tần số cao 54

III MỘT SỐ Ý KIẾN KIẾM NGHỊ ĐỂ THÀNH LẬP MẠNG DGPS Ở VIỆT NAM 56

1: Những lợi ích và ứng dụng của mạng DGPS ở VIệt Nam 56

1.1 Đạo hàng 57

1.2 Thời gian chính xác 57

1.3 Lập bản đồ địa hình 57

1.4 Đối với mục đích quân sự 57

1.5 Nghiên cức khoa học 58

2: Một số ý kiến kiến nghị để thiết lập mạng DGPS ở Việt Nam 58

2.2: Đặc điểm địa hình và hoạt động 58

2.3:Trước tiên ta có thể xem xét lợi ích của GPS và DGPS trên cơ sở đặc điểm địa hình đất nước 58

KẾT LUẬN 61

Hình 7: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

Hình 8: Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS

Hình 9: Kỹ thuật định vị tương đối

Hình 10: Kỹ thuật định vị tương đối

Hình 11: Differential Global Positioning System

LỜI NÓI ĐẦU

Phương pháp định vị dùng để xác điịnh vị trí, đo đạc, dẫn đường…là vấn đề rất cần thiết đối với hằng hải, quân sự cũng như các hoạt động kinh tế văn hóa xã hội Đi đôi với sự phất triển khoa học kỹ thuật, thì các phương pháp định vị cũng phát triển từ thô sơ đến hiện đại Bắt đầu từ kính lục phân,

la bàn, các bảng về sao Sau đó là áp dụng sóng vô tuyến để định vị như hệ thống dẫn đường radio, transit… và cho đến khi kỹ thuật phóng vệ tinh nhân tạo được phát triển (Đầu những năm 1960) thì phương pháp định vị toàn cầu được thực hiện Hệ thống định vị toàn cầu GPS ra đời, nó khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp định vị trước đó như: Độ chính xác cao, hoạt động theo chương trình phần mềm đã được lập trình sẵn, để sử dụng

và bảo dưỡng thiết bị đắc biệt các chế độ làm việc luôn đảm bảo, các thiết bị làm việc ổn định 24/24 giờ do máy có cấu tạo đặc biệt

Mặc dù hệ thống định vị GPS có những ưu điểm trên nhưng nó vẫn có những nhân tố ảnh hưởng đén việc định vị và dẫn đường thí dụ như: các sai số

do sự tán sắc và khúc xạ trong tàng điện ly, trong quá trình truyền sóng, sai sốđồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu GPS … mà vị trí định vi GPS có thể bị sai lệch Để khắc phục và đáp ướng yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao vầ độ chính xác và phạm vi ứng dụng của phương pháp định vị thì phải ứng dụng các công nghệ tiên tiên có kỹ thuật cao Người ta đã đưa ra kỹ thuật DGPS là một kỹ thuật hiện đại được sử dụng rộng rãi Việc ứng dụng công nghệ đúng hướng và có hiệu quả cao trước tiên phải nghiên cứu hiểu rõ bản chất của công nghệ đó trên cơ sở hiểu biêt và làm chủ nó

Xuất phát từ những lí do trên nhóm nghiên cứu đề tài “Kỹ thuật định

vị vi sai DGPS” nhằm mục đích nắm vững lý thuyết thực hành ứng dụng

công nghệ DGPS đã và đang được triển khai rộng rãi trên thế giới và khu vực Đong Nam Á và đang sử dụng rộng rãi ở nước ta

Trong quá trình làm đề tài này do kiến thức còn hạn chế nên có gì sai sót mong thầy góp ý Nhóm xin chân thành cảm ơn !

I:TỔNG QUAN VỀ GPS

1: GPS LÀ GÌ ?

NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống định vị dựa vàocác vệ tinh Nó có nhiều ưu điểm sau:

· Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet

· Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất

· Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết

GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự Nóđược thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng

Mỹ Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở mộtmức độ giới hạn

GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đãphục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm Việc xây dựngthành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau:

· Độ tin cậy cao của hệ thống không gian

· Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao

· Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác

· Công nghệ VLSI và quang phổ rộng

2: CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS

Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng:

· Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần

· Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi

vệ tinh, tính toán quỹ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian

· Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán đểcung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí

Hình 1 Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS

MẢNG KHÔNG GIAN

Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:

· Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển

· Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên

vệ tinh

· Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số

Hình 2 Vệ tinh GPS

Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF Thế hệ vệtinh đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell InternationalCorporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm Block II và IIAcũng do công ty này xây dựng nhưng nặng đến 900 kg Tuổi thọ của chúngkhoảng 7.5 năm Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu

từ năm 1996 Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng Block IIFvẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005.Hiện nay (2003) trên quĩ đạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR Cấu hình quĩđạo như sau:

· Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn

· Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh

· Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°

Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km

Hình 3 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L11575.42MHz và L2 1227.60MHz Các tín hiệu vệ tinh bao gồm:

· Hai tần số sóng mang

· Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang

· Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ tinh

MẢNG ĐIỀU KHIỂN

Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát sức khoẻ; theodõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh Có 5 trạmđiều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., DiegoGarcia và Kwajalein Chức năng của chúng như sau:

· Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạmđiều khiển chính

· Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC) Tại đó

dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệtinh

Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên

vệ tinh Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệtinh trong thông báo hàng hải

Hình 4 Các trạm điều khiển GPS

MẢNG NGƯỜI SỬ DỤNG

Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

· Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)

· Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng)

khó khăn Ví dụ như Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series,Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,vv…

· Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơngiản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ vàGIS Ví dụ như Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance

· Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạogọn nhẹ nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường đượcdùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch, … Ví dụ Lowrance 200,Garmin III+, Magenlan

Hình 5 Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật đo RTK khi đo địa hình

trên bờ

Hình 6 Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh

 Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cmcho L1 và 24 cm cho L2 Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2%bước sóng thì pha sóng mang có thể được đo đến mức độ milimét Khôngmay mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyểnthành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Vì vậy để xử lý trị đo này cần cónhững phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa.

Hình 7 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

Như vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1 Trong khimáy thu hai tần sẽ cung cấp đến 7 loại trị đo: C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2.Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy thu vì khi tín hiệu đi từ vệtinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu

bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khíquyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổnghợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị đo sai đến hàng trăm

km Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai sốphải được khắc phục và loại trừ trong xử lý

Hình 8 Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS

Hình 9 Kỹ thuật định vị tuyệt đối

Giả sử toạ độ vệ tinh đã biết ( ), véc tỏ từ máy thu đến vệ tinh đo được là , thìtoạ độ của máy thu ( ) có thể xác định được Tuy nhiên trong thực tế chúng takhông đo được mà chỉ đo được khoảng cách r Do đó cần ít nhất 3 vệ tinhkhác nhau mới giải ra được toạ độ máy thu Ngoài ra do đồng hồ của máy thuluôn có sai số nên phát sinh thêm một ẩn số nữa và do vậy cần có từ 4 vệ tinhtrở lên

Trị đo giả cự ly chứa nhiều sai số dẫn đến toạ độ của máy thu có thể sai từ vàimét đến vài chục mét.

ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI

Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được khủhoặc giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu và/ hoặc hai vệ tinh.Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắcmột số lượng vệ tinh chung Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểmđặt máy thu (còn gọi là baseline vector)

Hình 10 Kỹ thuật định vị tương đối

ĐỊNH VỊ ĐỘNG

Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì

ta gọi đó là định vị động Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh(trường hợp máy thu đứng yên) nhưng có rất nhiều ứng dụng trong thực tếnhư quản lý, điều khiển các đối tượng động tàu, xe, vv Định vị động cũng

một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thuthứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station).Nếu trạm tĩnh có trang bị thêm bộ phận phát radio để phát các thông tin (baogồm vị trí trạm tĩnh và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm nàygiải ra ngay tọa độ của mình thì ta gọi đây là kiểu định vị động thời gian thực(real-time kinematic – RTK).

ĐỊNH CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ GPS

Độ chính xác định vị GPS theo trên phụ thuộc rất nhiều yếu tố Tuynhiên nếu chỉ dựa vào kiểu định vị và loại trị đo dùng trong xử lý, ta có thểtóm tắt trong bảng sau :

II: KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ VI SAI DGPS

1:Cơ sở lý thuyết

DGPS là viết tắt của từ Differential Global Positioning System nghĩa là

hệ thống định vị vi phân toàn cầu

GPS vi phân (DGPS - Differential GPS) là một kỹ thuật nhằm giảm sai lỗi trong khi định vị bằng cách thu thêm tín hiệu được phát ra từ một trạm chuẩn đặt ở một vị trí biết trước Khi trạm chuẩn thu được tín hiệu

từ vệ tinh, nó sẽ tự động tính toán vị trí và thời gian theo tín hiệu vệ tinh Vị trí và thời gian này được so sánh với vị trí và thời gian thực, từ

đó biết được sai lệch do môi trường truyền sóng và sai lệch do hiệu ứngrào chắn SA Sau đó, sai lệch này được chuyển thành thông tin hiệu chỉnh đưa đến máy thu này với độ chính xác cao hơn GPS thông

thường

Có hai loại GPS vi phân: GPS cục bộ (LADGPS - Local Area

Differential GPS) và GPS diện rộng (WADGPS - Wide Area

Differential GPS)

+ GPS cục bộ là GPS vi phân có máy thu GPS nhận thông tin hiệu chỉnh tựa cự ly và pha sóng mang từ một trạm chuẩn được đặt trong tầm nhìn thẳng Chính vì đặc điểm hạn chế này nên máy thu GPS chỉ

có thể thu tín hiệu khi ở trong khu vực gần trạm chuẩn, do đó phương thức này có tên gọi là GPS cục bộ Thông tin hiệu chỉnh bao gồm: hiệu chỉnh quỹ đạo thu được từ vệ tinh, lỗi đồng hồ (có kể thêm hiệu ứng rào chắn SA) và trễ truyền sóng

+ GPS diện rộng sử dụng một mạng lưới các trạm chuẩn được phân bố

ở một vùng rộng lớn Nhờ hệ thống này người ta có thể xác định riêng

rẽ từng lỗi như: lỗi đồng hồ, trễ truyền sóng, lỗi quỹ đạo Những thông này sẽ được tính toán và gửi đến cho máy thu GPS thông qua các vệ tinh viễn thông hay mạng thông tin di động mặt đất

Phương pháp DGPS là phương pháp định vị động tuyệt đối thời gian thực dung ít nhất 2 máy thu GPS, mỗi máy thu GPS được kết nối với một bộ thu phát tín hiệu bằng sóng vô tuyến thường gọi là radio link Trong đó:

• Máy thu được đặt tại điểm đã biết tọa độ (gọi là trạm cơ sở hay base sitation hay reference sation) Máy thu này được kết nối với một máy phát vô tuyến

• Máy thu thứ 2 được đặt trên các phương tiện di chuyển như: tàu, xe,… Máy thu này được kết nối với một máy thu vô tuyến

DGPS là phương pháp kiểm tra tín hiệu vệ tinh GPS và cung cấp số cải

chính phân sai cho máy thu GPS (máy động) nhằm nâng cao độ chính xác định vị Bảng sau cho thấy sự ảnh hưởng của các nguồn sai số đến kết quả định vị

Nguồn sai số Đo GPS tuyệt đối (m) Đo DGPS (m)

Việc cải chính phân sai có thể tiến hành theo hai phương pháp sau đây:

- Phương pháp cải chính toạ độ: Theo phương pháp này số cải chính phân sai

là hiệu số toạ độ (hiệu kinh độ, vĩ độ và độ cao:B, Lvà H) đã biết và toạ độ tính được theo trị đo GPS tại trạm Base

- Phương pháp cải chính cự ly: Số cải chính phân sai là hiệu khoảng cách thật

từ vệ tinh tới tâm điểm anten của máy thu GPS tại trạm Base và khoảng

cách tính được từ các trị đo tại trạm Base tới các vệ tinh

Tuỳ theo thời điểm cải chính (cải chính toạ độ hoặc cải chính cự ly), có 2

phương pháp đo DGPS như sau:

- Phương pháp DGPS xử lý sau (Post processed):

Theo phương pháp này, số liệu đồng thời thu tín hiệu các vệ tinh giống nhau, trong cùng một khoảng thời gian tại trạm Base và trạm Rover được lưu lại và

số cải chính phân sai cùng với toạ độ đã được cải chính của trạm Rover chỉ cóđược sau khi xử lý số liệu đo thực địa trong phòng

- Phương pháp DGPS thời gian thực (Realtime DGPS):

Theo phương pháp này, tại trạm Base số cải chính phân sai liên tục được tính toán và được truyền tới các máy Rover thông qua các thiết bị truyền thông Các máy thu DPS Rover đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tín hiệu cải chính phân sai phát từ trạm Base để tính ra toạ độ chính xác (đã được cải chính phân sai)

Hình 11: Differential Global Positioning System

2: Nguyên lý đo DGPS

1 Đặt máy thu trên một điểm đã biết tọa độ chính xác, thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và tính ra các số cải chính ohaan sai Máy thu này được gọi làBase

2 Các máy thu ứng dụng gọi là máy Rover, thu tín hiệu GPS đồng thời

ở máy Base, cải chính vòa các trị đo được tính từ áy Rover để tính ra tọa độ chính xác của máy Rover

* Phương pháp POSITION:

Số cacir chính ohaan sai được tính dưới dangj thức đo kinh độ, vĩ độ và độ cao (ΔB, ΔL, ΔH), bằng cách lấy hiệu số tọa độ đã biết trạm BASE vào tạo độđược tính ra theo trị đo GPS tại trạm BASE

*Phương pháp MEASURMENT:

Số cải chính phân sai được tính ra dưới dạng cải chính chiều dài vào khoảng cách psuedorange (ΔP), bằng cách lấy hiệu khoảng cách thật từ vệ tinh tới tâm điểm antenna của máy thu GPS tại trạm BASE và khoảng cách

psuedorange tới các vệ tinh, tính từ trạm BASE

Số cải chính phân sai tính theo phương pháp POSITION tại trạm BASE chỉ đúng đối với trạm ROVER khi tọa độ được tại trạm BASE và tọa độ tính được tại trạm ROVER trên cùng một chum vệ tinh GPS, chính vì vậy thông thường người tai sử dụng phương pháp MEASURMENT.

Tùy theo cách xử lý số cải chính phân sai, có thể chia phương pháp DGPS thành 2 loại:

• Phương pháp POST PROSESSING DGPS

Phương pháp này sử dụng phần mềm để xử lý hai files số liệu thu được

từ máy thu BASE vào ROVER, tính toán ra số cải chính phân sai và tọa

độ đã được cải chính phân sai của trạm ROVER

Như vậy tọa độ tức thời không được tính toán tại hiện trường khi đo màphải tính toán trong phòng sau khi đo Phương pháp này hiện nay ít được sử dụng

• Phương pháp REAL TIME DGPS

Phương pháp này sử dụng phần mềm liên tục tính ra các số cải chính phân sai.Các sso cải chính phân sai này được phát tới các máy ROVER thông qua thiết

bị truyền thông Các máy thu GPS ROVER đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tín hiệu cải chính phân sai phát từ trạm BASE để tính ra tọa độ chính xác (đã được cải chính phân sai)

Như vậy phương pháp POST PROSESSING, toạn độ tức thời được liên tục tính toán ở máy ROVER tại thời điểm định vị

Sơ đồ hoạt động của phương pháp REAL TIME DGPS:

Cấu hình thiết bị của phương pháp REAL TIME DGPS gồm 3 phần chính:+ Máy thu GPS

+ Thiết bị truyền tin thu và pháp (datalink)

+ Máy thu GPS ROVER

Sơ đồ khối của thiết bị trạm BASE (còn gọi là trạm Reference):

Theo sơ đồ khối trên, chu trình vận hành tại trạm tĩnh như sau:

- Máy thu GPS thu các tín hiệu từ các vệ tinh và tính ra các

Pseudorange tương ứng đến các vệ tinh

- Thiết bị phần mềm sử dụng tọa độ đã biết tại trạm tĩnh và các Pseudorange để tính ra sso cải chính phân sai

- Số cải chính phân sai được tính bằng dạng chuẩn bằng thiết bị Data Formater

- Số cải chính phân sai được sóng tải (carrier) truyền vào không gian tới trạm ROVER qua anten phát

- Để sóng tải truyền được số cải chính ohaan sai thì sóng tải được ssieeuf chế bởi dạng tín hiệu đã được định dạng chuẩn sủa số cải

- Yêu cầu kỹ thuật cảu trạm tĩnh là:

+ Tọa độ chuẩn được xác định chính xác để loại bỏ tọa độ chuẩn+ Thiết bị GPS và Correction Generatior phải chính xác để tính chính xác sso cải chính ohaan sai và kiểm soát được số cả chính này+ Format tín hiệu cải chính phân sai phải được định dạng chuẩn để

có tính phổ thông

+ Phương pháp điểu chế phải đảm bảo an toàn, chính xác để truyền được gói thông tin của số cải chính phân sai

Nguyên lý hoạt động của trạm ROVER:

- Datalink Receiver thu được sóng mang tải số liệu cải chính phân sai

từ trạm tĩnh thông qua anten DGPS

- Bộ tách sóng (Demodulation) tách số hiệu cải chính phân sai từ sóng tải thu nhận được từ Datalink Receiver

- Số liệu cải chính phân sai được nhận dạng chuẩn bằng dataformater

và truyền đến thiết bị xử lý số liệu cải chính phân sai

- Thông qua anten GPS, GPS Sensor thu nhận được tín hiệu từ các vệ tinh GPS

- Thu tín hiệu GPS được truyền tới bộ phận xữ lý đo để tính các Pseudorange

- Kết hợp những số cải chính phân sai và Pseudorange tính được sẽ tính ra tọa độ trạm ROVER đã được cải chính phân sai Tọa độ này được hiển thị trên màn hính và được lấy ra qua cổng Output của máy GPS

3 Định dạng format số liệu

Định dạng format số liệu là một vấn đề rất quan trọng trong kỹ thuậttruyền thong tin Tất cả thong tin truyền đi trong kỹ thuật DGPS (nội dungthông tin tổng số liệu cải chính phân sai) được truyền đi bằng một dãy các số

tự nhiên Như vậy, nội dung thông tin phải được truyền tải đi theo một quyluật sắp xếp của dãy số tự nhiên được truyền tải đi Người nhận được thôngtin (các máy thu số liệu cải chính DGPS) phải được mã truyền tín hiệu đó để

hiểu được các thông tin nhận được Như vậy định dạng thông tin (định dạngformat số liệu) được hiểu theo khóa mã của tín hiệu truyền tin.

DGPS là một dịch vụ công cộng Vì vậy định dạng format số liệu cũng phảimang tính phổ biến, công cộng để có thể ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu.Chuyên ban kỹ thuật 104 thuộc ủy ban kỹ thuật Radio và các dịch vụ hang hải(RTCM-104-Radio Technical Comnission for Maritime Sercives Special104) đã thiết kế một chuẩn format dữ liệu cho số cải chính phân sai sử dụngtrong kỹ thuật DGPS

Ta thường thấy các máy GPS có cài đặt Option RTCM-104, nội dung là cácmáy này được cài phần mềm định dạng số liệu theo chuẩn RTCM-104

Cấu tạo cơ bản của format định dạng số liệu chuẩn của số liệu cải chính phânsai theo RTCM-104 được giải thích ngắn gọn như sau:

1 Nội dung của số liệu cải chính phân sai bao gồm các thông tin bằng số (Ví dụ: số cải chính phân sai Pseudorange; tọa độ trạm Reference …vv) và các thông ti không bằng số (Ví dụ : thông báo tình trạng vệ tinh;tình trạng của trạm Reference; sai số của số cải chính phân sai…v v)

- Nội dung thông tin bằng số được giữ nguyên theo thông tin gốc; nộidung thông tin không bằng số sẽ được quy định tương ứng vói cáccode (được định dạng dưới dạng số)

Ví dụ : sai số cải chính cạnh được code hóa như sau:

- Code Number One signal Diference

được thể hiện trên các frame số liệu có độ dài 30bit Một nội dung hay mộtnội dung trong số liệu cải chính phân sai được gộp thành một dạng thông báo(Message type) Đối với mỗi massage type sẽ có khóa mã nhận dạng frame sốliệu.

- Ví dụ : số cải chính phân sai Pseudorange được định dạng như sau:

Trên sơ đồ thì Scale facto và UDRE được thể hiện bằng code, cácnội ung thông tin khác thể hiện bằng số

3.3 Các loại thông báo (Massage Type).

Thông tin cải chính phân sai gửi đi từ trạm Beacon không đơn thuầnchỉ là số cải chính phân sai mà gồm nhiều loại thông tin khác Để có thể địnhdạng số liệu thông tin, người ta chia ra các nội dung thông tin thành các nhómthông báo (Massage Type) và định dạng format cho từng nhóm thông báonày

RTCM-104 chia các nội dung thông tin trong kỹ thuật DGPS thành 26massage và định dạng cho 26 massage này

Dưới đay em trình bày nội dung thông tin và định vị format cho các massagechính, ứng dụng trong kỹ thuật DGPS

3.3.1 Loại thông báo 1 (Massage Type 1) Cải chính phân sai DGPS (Diferrentinal GPS Corections)

Thông báo 1 chứa nội dung chính là số cải chính phân sai tức thời đượctính và phát trạm Beacon Số cải chính này gồm hai thành phần:

1.Số cải chính Pseudorange đôi với từng vệ tinh tính được tại trạmBeaco và khoảng cách thật tính được từ tọa độ không gian của anten tram

Beacon và tọa độ không gian của các vệ tinh tương ứng Số cải chính nàyđược ký hiệu là PRC(t 0 ) (Pseudorange correction at t0 of time).

2.Vì số cải chính PRC(t 0 ) truyền từ trạm Beacon tới trạm Rover nào

đó (người sử dụng) mất một khoảng thời gian nhất định Vì vậy trạm Rovernhạn được số cải chính PRC(t 0 ) không phải tại thời điểm t0 mà tại thờiđiểm t, số cải chính tính được tại trạm Beacon sẽ khác số cải chính tỷ lệkhoảng cách (Range Rate Correction) Số cải chính này được ký hiệu laRRC

vệ tinh (Satellte ID) format số liệu của thông báo 1 được cấu tạonhư sau:

Trong cấu tạo format được thông báo dưới dạng code của thông báo 1 nhưtrên ta còn thấy trị số UDRE (USER DIFFERENTIAL RANGE ERRO) Trị

số này thông báo sai số của cải chính phân sai phát từ trạm Beacon UDRE là

tổng hợp các ảnh hưởng sai số của hiện tượng đa tia (multipath), độ nhiễu tínhiệu GPS (Signal-to-noise radio) và các ảnh hưởng sai số khác.

Trị số IDO (Issue of data) trong cấu tạo format số liệu của thông báo số 1,thông báo cho máy GPS động phải dung một Set số liệu thu từ vệ tinh đãđược sử dụng tại trạm Beacon để định vị và tính ra số cải chính phân sai

3.3.2 Thông báo 2 (Massage Type 2) Delta Differential GPS Correction.

Trong cấu tạo hệ thống GPS, có 4 trạm Monitor và 1 trạm MasterControl Bốn trạm này thu nhận số liệu GPS và truyền về trạm số liệu MasterControl , trạm Master Control xử lý số liệu từ 4 trạm Monitors trên và tínhtoán ra số liệu cải chính đồng hồ vệ tinh vá số cải chính quỹ đạo vệ tinh Và

số cải chính này được phát trở lại để điều chỉnh hoạt động của các vệ tinh ítnhất 1 lần trong ngày

Như vậy sau khi trạm Master Control Uploaded số cải chính cho các vệ tinh,thì các vệ tinh phát quỹ dạo mới (EPHEMERIDE) tới các máy thu Các máythu sẽ Decode quỹ đạo vệ tinh mới và tính Pseudorange theo quỹ đạo vệ tinhmới

Tuy vậy đối với các máy thu GPS việc Decode quỹ đạo vệ tinh không thựchiện ngay tức thời mà mất một khoảng thời gian nhất định Có nghĩa là mặc

dù quỹ đạo vệ tinh mới đã được thông báo trong tín hiệu GPS từ các vệ tinh,song máy GPS vẫn tính Pseudorange theo lịch vệ tinh cũ (quỹ đạo vệ tinh cũ).Các trạm Beacon đều được trang bị các máy GPS có thể Decode quỹ đạo vệtin mới ngay tức thì Kết quả là rong một trường hợp, ở thời điêmt vệ tinhGPS phát đi lịch lịch vệ tinh mới, thì có một khoảng thời gian trạm Beaconđịnh và tính số cải chính phân sai theo lịch vệ tinh mới, còn máy thu GPSđộng lại định vị theo lịch vệ tinh cũ Như vậy số cải chính phân sai được tínhtại trạm Beacon theo lịch vệ tinh mới sẽ không chính xác đối với các máy thuGPS được định vị theo lịch vệ tinh cũ Vì vậy cần có một số cải chính phụ, để

bù lại sự sai khác nói trên Số cải chính này gọi là Delta Differential GPSCorrection và được ký hiệu là DELTA PRC được tính theo công thức:

DELTA PRC = PRC (old IOD) – RRC (new IOD)

Cũng với lý do như trên, khi tính số cải chính Range rate differential, trạmBeacon cũng sử dụng vệ tinh mới, do đó pải có them số cải chính DELTARRC

DELTA RRC được tính theo công thức:

DELTA RRC = RRC (old IOD) – RRC (new IOD)

Với : PRC (OLD IOD) là số cải chính phân sai Psuedorange được tính theolịch vệ tinh cũ

PRC (new IOD): Là số cải chính phân sai được tính theo lịch vệ tinh mới.RRC (OLD IOD) :LÀ số cải chính phân sai Range – rate được tính theo lịch

3.3.3 Thông báo 3 (Massage Type 3) Thông báo của trạm Refrence.

Thông báo 3 gửi đi tọa độ không gian 3 chieeufcuar trạm Beacon tọa

độ được tính trong hệ WGS – 84

Thông báo về tọa độ của trạm Beacon giúp cho máy GPS động khi thu đượctín hiệu cải chính từ một trạm Beacon nào đó, biết được khoảng cách từ trạmBeacon đến máy thu GPS đọng là bao nhiêu

Trong trường hợp thu được tín hiệu cải chính phân sai từ nhiều trạm Beacon,thì máy thu GPS động có thể dựa vào khoảng cách tới các trạm Beacon đểquyết dịnh xem sủ dụng số liệu cải chính phân sai phát đi tại trạm Beacon nàothích hợp nhất Tuy vậy đôi khi có thể chọn chế độ sử dụng số cải chính phânsai từ trạm Beacon nào mà tín hiệu cải chính thu được tại máy GPS động lớnnhất

Format số liệu của Massage 3 được trình bày trong hình vẽ dưới đây: