Giáo trình công nghệ 3s phần 1

Ý tưởng chính của đề án do hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến,

Mã số: 2 1 4 0 2 6 M 0 0

ISBN: 9 7 8 -6 0 4 -6 7 -0 2 4 9 -8

Trong những năm qua, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ, công nghệ thông tin và các công nghệ kỹ thuật khác Công nghệ định vị toàn cầu (Global Possition System - GPS), Công n<ỉhệ viễn thám (Remote Sensing - RS), Công nghệ hệ thông tin địa lý (Geographycal Information System - GIS) đã và đang được nghiên cứu ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, các ngành kinh tế quốc dân và các hoạt động xã hội Đặc biệt các công nghệ này được kết hợp ứng dụng rất có hiệu quả trong lĩnh vực điều tra, khảo sát, quy hoạch, quản lý tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việc kết hợp ứng dụng ba công nghệ tiên tiến trên được các nhà chuyên môn đưa ra thuật ngừ “C ông nghệ 3S".

Các kiến thức cơ bản về Công nghệ 3S là rất cần thiết đối với sinh viên và học viên cao học trong các trường đại học và cao đắng.

Đe bước đầu đáp ứng được nhiệm vụ đào tạo công nghệ này trong các trường đại học và cao đẳng kỳ thuật liên quan đến Khoa học Trái đất và Mỏ, chúng tôi biên soạn giáo trình “C ông nghệ 3 S ”.

Giáo trình đề cập đến một số kiến thức chung, cơ ban về công nghệ 3S,

có nội dung và bố cục như sau:

C h ư oìig 1 Công nghệ Định vị toàn cầu

C hư ơng 2 Công nghệ Viễn thám

C hư on g 3 Công nghệ Hệ thông tin địa lý

C h ư oìig 4 Một số ứng dụng cua Công nghệ 3S

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng chẳc chắn không tránh được các thiếu sót rất mong nhận được góp ý của các đồrm nghiệp và các học viên về nội dung và bố cục để giáo trình được hoàn thiện hơn phù họp với xu thế phát triến cứa khoa học và công nghệ hiện nay.

Tác giả

1.1 TỔNG QUAN VÈ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thông định vị toàn cầu

Từ xa xưa, con người đã biết dùng mặt trời, mặt trăng, các ngôi sao, thậm chí cả chim trời để định vị Mặt trời mọc từ hướng đông, lặn về hướng tây Gió cũng tùy mùa mà chuyển hướng Chim kéo đàn bay về phương Nam để tránh mùa đông lạnh giá ở phương Bắc, rồi lại lên phương Bắc khi mùa xuân ấm áp trở về Những kinh nghiệm đó lặp lại từng năm, từng tháng

và được nhận thức thành hiện tượng cố định để sử dụng khi định vị.

Cũng từ đó dần hình thành thiên văn học, người ta lập được lịch sao, tính được vị trí của từng ngôi sao ở mỗi thời điểm Sao trớ thành vật thế cố định tương đối đối với mỗi vị trí mặt đất tại mỗi thời điểm Từ điểm cần xác định, người ta đo góc tới một số ngôi sao để định vị Đó là nguyên lý cơ bản của phương pháp định vị thiên văn phát triển từ thế kỷ XVIII Với việc phát minh ra tín hiệu radio và dùng nó đế định hướng, đã tạo ra bước ngoặt lớn trong kỳ thuật định vị.

Tháng 10/1957, Liên Xô (nay là Cộng hòa Liên bang Nga) phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh Sputnhic-1), từ đó các nhà khoa học quân sự và các nhà khoa học ừên thế giới tiếp tục nghiên cứu và đã đạt được những thành công trong việc sử dụng vệ tinh trong công tác định vị.

Tháng 12/1958, hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh Transit ra đời gồm 8

vệ tinh chuyến động theo quỹ đạo cực cách mặt đất 1.000 km Hệ thống này được dùng trong quân sự cho đến năm 1967 Sau đó được sứ dụng trong lĩnh vực trắc địa Tuy nhiên, hệ thống này chưa đáp ứníỉ được yêu cầu dẫn

TRANSIT Ý tưởng chính của đề án do hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, đề án có tên là TIMATION Các công trình nghiên cún tương tự cũng được không quân

Mỹ tiến hành trong khuôn khố chương trình mang mã số 6 2 1 B Từ năm

1973 Bộ Quốc phòng Mỹ quyết định đình chi cả hai chương trình này đế triển khai phối họp nghiên cứu xây dựng hệ thống đạo hànu vô tuyến vệ tinh trên cơ sở kết quả của chương trình TRANSIT và hai chương trình vừa nói tới Hệ thống này có tên gọi đúng là N A V ST A R G PS (N avigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System) N hiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay tàu thúy và trên đất liền phục vụ cho Bộ Quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự Sáu vệ tinh N A V ST A R đầu tiên đã được sản xuất và phóng lên quỹ đạo từ Kanas đế phục vụ chương trình thử nghiệm Ket quả thử nghiệm thành cône và Chính phú M ỹ tiếp tục đầu tư

12 tỷ đô la để xây dụng thành công hệ thống định vị này vào năm 1986.

Khi được hoàn tất hệ thống sẽ gồm 21 vệ tinh hoạt độne và 3 vệ tinh

dự trữ Các vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo gần như tròn, ở độ cao khoản« 20.200 km với chu kỳ xấp xỉ 12 giờ Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát được ít nhất 4 vệ tinh Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống được phóng lên quỹ đạo vào tháng 2/1978 Toàn bộ hệ thống 24 vệ tinh được đưa vào hoạt động hoàn chinh từ tháng 5/1994.

Từ năm 1993, hệ thống GPS được phép đưa vào ứng dụng trong dân

sự Tuy nhiên, Bộ Quốc phòng Mỹ có thể sẽ không cung cấp tín hiệu cho mục đích dân sự trong một số trường hợp đặc biệt như vùng đans xay ra chiến tranh.

Đến nay hệ thống định vị NAVSTAR đã trớ nên quen thuộc với tên gọi hệ thống định vị toàn cầu GPS và thực sự khănti định về độ chính xác và tiện nghi sử dụng Hệ thống định vị toàn cầu GPS được ứns dụnư trono nhiêu lĩnh vực trong quân sự và dân sự đã tạo ra bước chuyên biên to lớn về

kỹ thuật định vị.

Một số nước cũng đang thử nghiệm và phát triển hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu như Án Độ với hệ thống IRNSS (Indian Region Navigational Satellite System), Nhật Bản với hệ thống QZSS (Quasi - Zenith Satellite System) Tuy nhiên, hệ thống QZSS không phải là hệ thống độc lập, mà chi

là bổ sung cho GPS với vùng phủ sóng trên lãnh thổ Nhật Bán.

1.1.2 Các thành phần của hệ thông định vị toàn câu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (hình 1-1) gồm ba bộ phận cấu thành,

đó là phân đoạn không gian (Space Segment), phân đoạn điều khiển (Control Segment) và phân đoạn sử dụng (User Segment).

1.1.2.1 Phần khôn g gian

Phần không gian gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay

trên 6 mặt phang quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55° so với mặt

phẳng xích đạo của trái đất Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, vệ tinh bay ơ

độ cao xấp xi 20.200 km so với mặt đất, chu kỳ quay cua vệ tinh là 718 phút

(xấp xỉ 12h) Do vậy sẽ bay qua đúng điểm cho trước trên mặt đất mỗi ngày

một lần, với cách phân bố như vậy thì tại bất kỳ thời điểm nào, ở bất kỳ vị

trí nào trên trái đất cũng nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh.

Mồi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính

xác cao cỡ 1 0 'l2giây Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz, từ đây tạo ra các sóng tải tần số L| = 1.575,42 M Hz và

Li = 1.227,60 M H z, các sóng tải được điều biến bởi hai loại Code là

C/A- Code và p - Code.

C/A - Code (Coarse/Acquistion) là Code thô/thâu tóm, nó được sử dụng cho các mục đích dân sự và chí điều biến sóng tải L | C/A - Code có tần số 1,023 MHz Mỗi vệ tinh được gán một C/A - Code riêng biệt.

p - Code (Precise) là Code chính xác, nó được sử dụng cho mục đích quân sự và điều biến cả hai sóng tải Lị, L2 Code này có tần số 10,23 M Hz,

độ dài toàn phần là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày p - Code mới lặp lại-

Tuy vậy, người ta chia Code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày, và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn Code như thế, cứ sau một tuần lại thay đôi nên P- Code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được cho phép.

Cả hai sóng tải L| và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemerit của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chinh cho đồng hồ cúa vệ tinh, đồ hình phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng cúa

hệ thống Mồi vệ tinh GPS có khối lượng 1.830 kg khi phóng và 930 kg khi bay trên quỹ đạo Các máy móc thiết bị hoạt động nhờ năng lượng pin mặt trời với sái cánh rộng Tuổi thọ cua vệ tinh theo theo thiết kế là 7.5 năm tuy nhiên nhiều vệ tinh hòng sớm hơn so với dự kiến và đã lần lượt bị thay thế

- 24 vệ tinh (tinh đán 1995,21 VT d ù động vả 3 vệ tinh Ạ r phòng.

- 6m ặtphắogq aỹđạo (n ^ Ễ n g 55°)

- Độ cao quỹ dạo 20.200km.

- e i n kỳ bay khoảng 12 g ò

- Khối krone khoảng 900 leg

Hình 1.1 Các thành phần của hệ thống định vị toàn cầu

Hình 1.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS:

- Nhận và lưu giữ lịch vệ tinh mới được gửi lên từ trạm điều khiển.

- Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bàng các bộ vi xử lý đặt trên vệ tinh.

- Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng 2 đồng hồ nguyên tử Censium và đồng hồ hồng ngọc Rubidium.

- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của mặt đất.

- Truyền thông tin và tín hiệu trên hai tần số Lị và L2 rất ổn định và nhất

Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương) D iego Garcia (Án Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương), các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất.

Hình 1.4 Các trạm điều khiển mặt đất cua GPS

0 Trạm điều khiển trung tâm;

t : Trạm điều khiến.

Nhiệm vụ của phần này là điều khiến toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sớ theo dõi chuyển động quỹ đạo vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó.

cách và sự thay đôi khoảng cách tói tất ca các vệ tinh có thê quan sát đirơc

đồng thời đo các số liệu khí tượng Tất cả các số liệu đo nhận được ớ mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm, trạm trung tâm xử lý các số liệu truyền từ trạm theo dối về cùng với các số liệu đo của chính nó Kết quả xu

lý cho ra các Ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh.

Hình 1.6 Các trạm điều khiển mặt đất của hệ thống GPS

Từ trạm trung tâm các số liệu được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác Các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh thường xuyên được chính xác hóa và chúng sẽ được cấp cho người sử dụns thông qua các sóng tải L| và L2 V iệc chính xác hóa thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày, c ầ n nói thêm ràng, các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác đến cỡ 5 mét, chưa kể đến chúng còn cố ý bị làm nhiễu bởi chế độ SA (Selective Availability) đế hạn chế độ chính xác.

1.1.2.3 Phần s ử dụng

Phần sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin

từ vệ tinh để khai thác và sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng cả trên trời, trên biển và trên đất liền Đó có thể là máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay nhóm gồm từ hai máy thu trở nên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định

vị tương đoi) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chú phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân).

Ă n g -te n

Bộ cấ p nguồn

X ử lý tín hiệu Bộ vi xử lý

Bộ d ao động Bộ lưu số liệu

Hình 1.7 Sơ đồ khối máy thu GPS

- Ang-ten với bộ tiền khuếch đại để phóng to cường độ tín hiệu thu được

từ vệ tinh.

- Bộ xử lý tín hiệu có chức năng giái mã tín hiệu vệ tinh, đo pha sóng tải,

thu nhận dao động nội bộ do bộ dao động của máy thu phát ra để dóng hàng

với tín hiệu thu được, có tác dụng tính thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu.

- Bộ dao động sản xuất các sóng tín hiệu tương tự như các sóng tín hiệu

do vệ tinh chuyển đến, mục đích để dóng hàng với tín hiệu này tính thời gian truyền tín hiệu.

- Bộ vi xư lý để tính cạnh thô từ vệ tinh đến ăng-ten máv thu theo mã,

tính tọa độ tức thời của tâm ăng-ten máy thu, tính các loại số cái chính ban đầu và các thông số dẫn đường.

- Bộ lưu số liệu dùng để lun trừ sổ liệu.

- Bộ cap nguồn đám bảo năng lượng điện cho máy hoạt độn°.

Nhờ tiến bộ khoa và kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỳ thuật thông tin tín hiệu số, các máy thu GPS ngày càng hoàn hảo Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu GPS như hãng Trimble Navigation, Ashtech (M ỹ), Minimax (Cộng hòa liên bang Đức), Leica (Thụy Sĩ), Sokia (Nhật Bản), Sercel (Pháp)

Cùng với máy thu, các hãng còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin như Trimvec, Trimnet plus, GPS Survey, Geomatic, các phần mềm xử lý ngày càng hoàn thiện và ngày càng nâng cao hiệu quá cũng như

độ chính xác.

Hiện tại, máy thu có thể phân theo 4 nhóm sau:

N hóm 1: Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C/A trên tần số L ị.

N hóm 2: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang Lị thường gọi tắt

là máy thu một tần số.

N hỏm 3: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang L ị, L2 thường gọi

tắt là máy thu hai tần số.

N hóm 4: Máy thu xử lý mã Y và pha sóng mang Lị , L2 chi có quân

đội Mỹ và đồng minh mới có.

1.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẰU GLONASS VÀ GALILEO 1.2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS

Đây là hệ thống định vị toàn cầu do Liên X ô (nay là Cộng hòa liên bang Nga) chế tạo và đã được đưa vào sử dụng từ năm 1982 Hệ thống cũng bao gồm 24 vệ tinh nhưng quay trong 3 mặt phang quỹ đạo có bán kính từ 18.840 km đến 19.940 km, trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 45°, chu kỳ quay khoảng 676 phút.

Hình 1.8 Một sô loại máy thu GPS

hệ thống hoạt động vào năm 2010.

Hình 1.9 Hệ thống định vị toàn cầu G LO N A SS

Hình 1.10 Một số vệ tinh của hệ thống G LO N A SS

1.2.2 Hệ thông định vị toàn cầu GALILEO

Vào 5 giờ GMT sáng ngày 28/12/2005 thôns qua tên lưa Soyouz từ sân bay vũ trụ Baikonour tại Kazakhstan cơ quan Khôrtíỉ sian Châu Âu (ESA) đã phóng vệ tinh GIOVE-A lên quỹ đạo địa tĩnh, bẳt đầu bước thừ nghiệm cho chương trình "Hệ thốna định vị toàn cầu GALILEO".

14

Nhiệm vụ đầu tiên của vệ tinh GIOVE-A (nặng 600 kg, hoạt động ớ

độ cao 23.222 km) là báo đám việc sử dụng tần số sóng vô tuyến được Liên đoàn Viễn thông quốc tế (ITU) phân bổ cho hệ thống GALILEO.

Đồng thời thử nghiệm hiệu quả hoạt động của hai đồng hồ nguyên tử (cốt lõi sống còn của hệ thống định vị toàn cầu), cùng các thông số kỹ thuật khác phục vụ cho việc triển khai các vệ tinh trong chương trình GALILEO, bắt đầu phóng lên vào năm 2006.

Theo ESA, hệ thống GALILEO có tổng cộng 30 vệ tinh, bắt đầu hoạt động vào năm 2008 và hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống vào năm 2010 Hệ thống thử nghiệm nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử, máy tạo tín hiệu và thiết bị thu tín hiệu của người sử dụng Khi đi vào hoạt động, hệ thống GALILEO sẽ xác định vị trí bằng công nghệ real-time, tức là dựa vào thời gian truyền tín hiệu để xác định vị trí cần tìm Với tốc độ truyền tín hiệu cực nhanh, gần như tức thời, hệ thống GALILEO được trông đợi có thể xác định một vật thể trên mặt đất với sai số trong khoảng 1 mét.

X < / #

y ể ỵ / 0

'*v

Hình 1.11 Hình ảnh hệ thống GALILEO khi hoàn thành

Vì là hệ thống định vị đầu tiên phục vụ cho mục đích dân sự, hệ thống GALILEO còn hứa hẹn rất nhiều lợi ích về mặt kinh tế, xã hội và khoa học

kỹ thuật Cụ thế, nhờ độ chính xác cao cùa hệ thống GALILEO mà hệ thống

II quản lý giao thông đô thị của nhiều nước có thê được tự động hóa hoàn

ị toàn, giúp cơ quan chức năng theo dõi chặt chẽ và chính xác mọi hoạt động

„ đang lưu thông trên các tuyến xa lộ, giám sát hiệu quả các điểm kẹt xe, tai nạn Hơn nữa, hệ thống GALILEO còn có khả năng tích hợp với các chip

đặc biệt gắn trong điện thoại di động, biến nó trở thành một thiết bị định vị

vô tuyến vô cùng tiện lợi.

Với đúng nghĩa của hệ thống định vị toàn cầu GPS ca N A V ST A R , GLONASS và GALILEO (sau khi hoàn thành) đều cho phép thực hiện định

vị ở bất kỳ điểm nào, vào bất cứ thời điểm nào trong ngày với bât kỳ điêu kiện thời tiết nào Hiện nay đã có những dự án phối hợp khai thác giữa các

hệ thống này để nâng cao hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trên phạm vi toàn câu.

Hình 1.12 Hình ảnh vệ tinh được đưa vào quỹ đạo của hệ thống GALILEO

1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐO CẠNH GPS

1.3.1 Đo cạnh theo mã

Mồi máy thu GPS đều có một đồng hồ thạch anh, phát ra các sóng và

mã đo cạnh hệt như trên vệ tinh Tại thời điểm thu được tín hiệu, mã vệ tinh

được dóng hàng với mã máy thu để xác định thời gian truyền sóng d ĩ từ vệ

tinh đến tâm ăng-ten Tích của thời gian truyền sóng dx và tốc độ truyền sóng c là khoảng cách từ vệ tinh đến tâm ăng-ten m áy thu (Hình 1.13).

Tuy nhiên, giờ vệ tinh và giờ máy thu không đồng bộ với giờ GPS Khi quy thời gian truyền sóng về giờ vệ tinh và giờ máy thu là những dữ kiện mà ta thu được, cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu được tính theo công thức sau:

p = p + c x ( d t - d T ) + dum + d tmp Trong đó:

dt: Độ trễ của đồng hồ vệ tinh;

dT: Độ trễ của đồng hồ máy thu so với thời gian GPS;

dion và dtroP: Số cải chính độ trễ truyền sóng qua tầng điện ly;

dtrop-' Số cải chính độ trễ truyền sóng qua tầng đối lưu.

Hình 1.14 Quy chuẩn về hệ giờ GPS

Cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu tính từ dừ kiện trực tiếp thu được, theo công thức (1.1) gọi là cạnh thô vì chưa qua xử lý, thuật ngữ tiếng Anh thường dùng là Pseudo-range.

Trong mồi máy thu đều có bộ xử lý để tính ngay ra cạnh thô và tiếp đó tính tọa độ địa tâm và tọa độ trắc địa của điểm đặt máy trong một vài phút

để thực hiện phép định vị tức thời Kết quả thực nghiệm cho biết độ chính xác

đo cạnh thô có thể đạt 1 % độ dài bước sóng, tức 3 mét khi dùng mã C/A và 0,3 mét khi dùng mã p và độ chính xác định vị tức thời đạt 30 - 50 mét với mã C/A

và từ 3 - 5 mét với mã p Do ngại rằng độ chính xác định vị tức thời này có thể

sử dụng hiệu quả cho hoạt động quân sự, Bộ Quốc phòng Mỹ đã cho phủ lên

mã C/A nhiễu SA (Selective Availability), hạ thấp độ chính xác định vị băng

mã này xuống 100 mét và dùng mã Y phủ lên mã p (thường gọi là nhiêu

AS - Anti Spoofing) Chi cơ quan được phép sứ dụng mới được trao biện pháp khử nhiễu AS, từ tháng 5/2000 nhiễu SA đã được gỡ bỏ.

1.3.2 Đo cạnh bằng pha sóng tải

Pha sóng tải ở đây là toàn bộ các chu kỳ truyền sóng từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu, gồm sổ chu kỳ nguyên và chu kỳ lé cuối cùng Sử dụng pha sóng tải để đo cạnh trước hết có thế nâng cao độ chính xác Khi sai số đo cạnh có thế hạn chế đến 1% độ dài bước sóng thì với sóng tải L| có bước sóng bằng 19 cm, độ chính xác đo cạnh có thể bảo đảm 2 mm, Ngoài

ra có thể loại trừ ảnh hưởng của nhiễu SA Tuy nhiên đây cũng là vấn đề tinh tế nhất trong kỹ thuật định vị GPS, đặc biệt được giới chuyên môn quan tâm giải quyết.

Trước hết hãy xem xét quan hệ có tính nguyên lý cùa kỳ thuật đo cạnh bằng sóng radio sau đây:

để tính cạnh, còn phép đo cạnh trong kỹ thuật GPS là phép đo một chiêu Tại thời điểm máy thu GPS bắt được tín hiệu thì việc truyền sóng đã căn bản hoàn thành Máy chỉ ghi được góc (p và một số chu kỳ nguyên mà không thể thu nhận được trị N, tuy nhiên có thể đếm được số chu kỳ nguyên AN từ sau khi thu xong tín hiệu đầu tiên (hình 1.16).

Như vậy, từ sau thời điểm to, là thời điểm máy thu bắt được tín hiệu vệ tinh, máy thu chỉ thu được một số chu kỳ nguyên Int(cp;to,t) và phần chu kỳ

lẻ Fr(ọ) mà không thu được đại bộ phận số chu kỳ nguyên còn lại.

Pha sóng tải, biểu thị cạnh từ vệ tinh đến tâm ăng-ten máy thu, được thể hiện trong quan hệ dưới đây:

Giải pháp tìm số chu kỳ nguyên của sóng tải vì vậy trớ thành vấn đề trung tâm của công nghệ định vị GPS độ chinh xác cao, đồng thời cũng là vấn

đề rất phức tạp Ngoài ra trong quá trình truyền sóng, do bị nhiễu hoặc hiện tượng phản xạ nhiều lần, không thể tránh khoi trường họp thất lạc một số chu

kỳ sóng tải Vì thực trạng trên, trong tài liệu tiếng Anh dùng thuật ngữ “integer ambiguity” (tính không rõ ràng của số nguyên) đê chỉ số chu kỳ nguyên của sóng tải Để ngắn gọn và trực quan, ta dùng cụm từ “trị N ” để chi đại lượng này.

Đến nay đã có nhiều giải pháp xác định trị N Mỗi giải pháp là hạt

■ nhân để thiết lập một phương pháp định vị, kèm theo đó một cấu hình của máy thu, một chương trình điện toán xứ lý số liệu.

1.4 NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ BẰNG GPS

Trong kỹ thuật GPS có nhiều phương pháp định vị khác nhau để có thể đáp ứng yêu cầu đa dạng của người sử dụng Hiện tại, có ba phương pháp định vị GPS được sử dụng phổ biến là định vị GPS tuyệt đối, định vị GPS tương đối và định vị GPS vi phân.

1.4.1 Định vị GPS tuyệt đối

1.4.1 ỉ Định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả

Định vị GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ các điểm trong hệ tọa độ WGS - 84 (là hệ tọa độ cơ sở của

hệ thống GPS) Tọa độ đó có thể là tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc tọa độ mặt cầu (B, L, H) Việc định vị GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoáng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh để tính ra tọa độ cần xác định theo công thức:

R = <J(XS - X r Ý + (Ys - Y , , Ÿ + ( Z , - z , Ÿ + cAt ( 1 5 )

Trong đó:

X s , Ys , Z s : Tọa độ địa tâm của vệ tinh trong hệ WGS - 84;

X r , Yr , Z r : Tọa độ địa tâm của điểm đặt máy trong hệ WGS - 84;

R: Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu;

c: Vận tốc truyền tín hiệu;

At: Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh Như vậy, để xác định cả ba thành phần tọa độ tuyệt đối cua điểm đặt máy và đại lượng At thì cần phải đo khoảng cách giả đồng thời từ ít nhất là 4

vệ tinh Trên thực tế, với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời thường > 4 Khi đó lời giái đơn trị được tính nhờ phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.

Khoảng cách giả có thể nhận được từ các trị đo pha sóng tải Mô hình toán học của các trị đo này như sau:

Trong đó: O f ( 0 : Pha sóng tải đo được;

Ả : Bước sóng;

p ' (í) : Khoảng cách hình học từ điểm quan sát đến vệ tinh;

N j : Số nguyên đa trị;

/ 7 : Tần số của tín hiệu vệ tinh;

A ổ / ( t ) : Tổng hợp sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu 1.4.1.3 Đ ịnh vị tu yệt đố i bằng tần sổ D O PPLE R

Mô hình toán học của số liệu định vị Doppler được thể hiện ở công thức sau:

Trong đó các giá trị xem xét là đạo hàm theo thời gian của khoảng cách giả code hoặc pha.

Trong phương trình trên:

D '1 ự ) : Hiệu ứng Doppler quan sát được, còn được gọi là tốc độ

khoảng cách;

p ! ( 0 : Tốc độ tức thời bán kính véc tơ giữa vệ tinh và máy thu;

AS f (/): Đạo hàm theo thời gian của độ sai đồng hồ phối hợp.

1.4.2 Định vị GPS tương đối

Định vị GPS tương đối là trường hợp sử dụng ít nhất hai máy thu GPS đặt ở những điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian (AX, AY, AZ) hay hiệu tọa độ mặt cầu (AB, AL, AH) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS - 84, tức là xác định tọa độ tương đối (vị trí tương hồ) của chúng Kết quả định vị tương đối thường là cạnh (khoảng cách) giữa các điểm đặt máy, những cạnh này được đưa vào bình sai trong mạng lưới đo cạnh rồi dựa vào tọa độ đã biết của một số điểm khống chế cơ sở để tính ra tọa độ của các điểm lưới còn lại Phép định vị GPS tươns đối thường được thực hiện trên cơ sớ sử dụng đại lượng đo pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao giữa hai điêm xét và đối với hai vệ tinh, người ta tạo ra và sư dụng ba bậc sai phân khác nhau (bậc một bậc hai bậc ba) cho pha sóng tải

nhằm làm giảm hoặc triệt tiêu ảnh hường cúa các sai số liên quan đên vệ tinh và máy thu cũng như sai số liên quan đến trị N Có ba phương pháp định vị GPS tương đối là định vị tĩnh, định vị động và định vị gia động.

1.4.2.1 Định vị tĩnh

Là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS một máy đặt ờ điẽm đã biêt tọa độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định Cả hai máy phai đông thời thu tín hiệu từ ít nhất là 4 vệ tinh chung liên tục trong khoáng thời gian ít nhât là một giờ đồng hồ Khoảng thời gian thu đo phải kéo dài là đê đù cho đô hình phân bố vệ tinh thay đổi, từ đó có thể xác định được trị N Phương pháp này cho độ chính xác cao nhất trons phép định vị GPS tương đổi, có thể đạt đến

cở cm, thậm chí mm ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là năng suất không cao do thời

gian đo phải kéo dài Hiện nay đã có phương pháp định vị tĩnh nhanh

(FastStatic) cho phép giảm thời gian đo (theo chế độ đo tĩnh) xuống còn từ

5 đến 20 phút (tùy theo điều kiện khí quyển và số lượng v ệ tinh thu tín hiệu), độ chính xác đạt tới hàng mm ớ khoảng cách hàng chục km, nhưng phải sử dụng máy hai tần và phần mềm chuyên dụng, dẫn đến giá thành cao.

1.4.2.2 Đ ịnh vị động

Là phương pháp sứ dụng một máy thu đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ suốt quá trình đo, trong khi một (hoặc nhiều) máy di dộng di chuyền đến các điểm cần xác định với thời gian đo tại mồi điểm là một phút Theo phương pháp này, cần phải có một cạnh đáy đã biết trước để tính trị N khới đầu (trị này sạu đó được giữ nguyên để tính khoảng cách giữa vệ tinh - máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt chu kỳ đo) Máy cố định thu tín hiệu liên tục tại một đầu cạnh đáy này, còn máy di động xuất phát từ đầu cạnh đáy còn lại, sau đó lần lượt đo các điểm cần xác định, cuối cùne lại khép về

đo lại điểm ban đầu để kiểm tra trị N Yêu cầu nhất thiết cùa phương pháp này là cả máy cố định và máy di động đồng thời phái thu tín hiệu liên tục từ

ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt quá trình đo Đòi hói khá ngặt nghèo đó cũng chính là nhược điểm cùa phương pháp này tuy nhiên nó cũng cho phép đạt độ chính xác định vị giống như phương pháp định vị tĩnh.

1.4.2.3 Định vị giá động

Thực chất là sự kết hợp giữa định vị tĩnh và định vị động, cụ thê là tồ chức thực hiện ơ thực địa theo định vị độns nhưng xứ lý kết qua theo đinh

vị tĩnh Trong phương pháp này không cần làm thù tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đã biết Theo đó, máy cố định đặt tại một điêm đã biêt tọa

độ và thu tín hiệu trong suốt quá trình đo, còn máy di động lần lượt đo các điểm cần xác định, mỗi điểm thu tín hiệu từ 5 đến 10 phút (có thể tắt máy trong quá trình di chuyển giữa các điểm) Sau khi đo hết lượt, máy di động quay về điểm xuất phát để lặp lại quá trình đo lại tất cá các điếm theo đúng trình tự như lần đo thứ nhất nhưng phải bảo đảm cho khoáng thời gian giãn cách giữa hai lần đo tại một điểm không ít hơn một giờ đồng hồ (tức là khoảng thời gian đủ để đồ hình phân bố vệ tinh có sự thay đổi nhằm xác định được trị N) Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được

ít nhất được 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát Phương pháp này dễ tổ chức thực hiện hơn nhưng có độ chính xác định vị thấp hơn so với phương pháp định vị động.

1.4.3 Định vị GPS vi phân

1.4.3.1 N guyên lý chu n g

Trong các phương pháp định vị GPS có một phương pháp đặc biệt gọi

là Định vị GPS vi phân (D G PS - Differential GPS) Theo phương pháp này,

nếu có 2 (hoặc nhiều hơn) máy thu GPS có thế áp dụng kỹ thuật đo DGPS, trong đó một máy thu đặt tại điểm đã biết tọa độ gọi là trạm tham chiếu (Reference station), còn máy thu khác di chuyển và sẽ được xác định tọa độ với điều kiện tại cả hai trạm số vệ tinh chung quan sát không ít hơn 4 Vị trí

đã biết của điểm đặt máy thu cố định sẽ được sử dụng để tính các số hiệu chỉnh GPS dưới dạng hiệu chỉnh vị trí điểm (gọi là phương pháp vị trí - Position Methode) hoặc hiệu chỉnh các khoảng cách Code đã được quan trắc (Gọi là phương pháp trị đo - Measurement Methode) Các số liệu hiệu chỉnh này sẽ được chuyển đi bằng sóng vô tuyến (Radio Link) đến máy động và lập tức tính vị trí điểm để đạt được độ chính xác cao hơn so với với trường hợp định vị tuyệt đối.

Trong phương pháp hiệu chỉnh vị trí điểm, tại trạm tham chiếu A vào thời điểm t sẽ tính được độ sai tọa độ theo công thức đơn giản:

x(t) = X A - X A(t)

Trong đó:

- X a ,Y a Z a : Tọa độ đã biêt trong hệ tọa độ thực dụng của điểm A;

- XA (t),YA (t), ZA (t): Tọa độ định vị tuyệt đối bàng máy thu GPS đặt tại A ở thời điểm t.

Độ sai tính theo công thức (1.8) được coi là số hiệu chinh vi phân và lập tức được phát đi rộng rãi theo phương thức vô tuyến cho các trạm định

vị tuyệt đối khác để kịp hiệu chỉnh vào kết quả định vị (coi như cùng thời điểm t) Thí dụ tại trạm B, tọa độ định vị tuyệt đối GPS là X B(t), Y B(t), ZB(t), khi đó tọa độ sau cải chính vi phân sẽ là:

X B = X B (t) + ồ x(t)

Zb = Zb (t) + ổ z(t) Chúng ta có thể nhận thấy rằng, trong phương pháp hiệu chinh tọa độ, chúng ta đã giả thiết là sai lệch tọa độ ớ mọi điểm là như nhau Khi khoảng cách giữa trạm tham chiếu A và trạm định vị B càng xa thì điều giả thiết trên càng không đúng Song phương pháp này về cơ bàn đã loại bỏ được nhiễu SA và một vài nguồn sai số khác mang tính hệ thống trong kết quả định vị tuyệt đối.

Trường hợp số hiệu chỉnh vừa nêu được máy thu cố định truyền trực tiếp cho máy thu di động thông qua sóng vô tuyến (nhờ bộ thu hoặc phát

sóng đi kèm máy GPS) thì gọi là định vị G PS vi phân tức thời (real-time

DGPS) Khi đó chì có thể hiệu chỉnh khoảng cách giả đo bằng mã đo cạnh,

độ chính xác định vị đạt khoảng ±(1-5-3) mét Còn việc so sánh tọa độ ở máy

cố định và hiệu chinh kết quả ở máy di động được thực hiện trong phòng

(sau khi đo xong) thì được gọi là định vị G PS vi ph ân hậu kỳ (post-

p ro cessed DGPS) Khi đó có thể hiệu chỉnh khoảng cách giả xác định bàng

pha sóng tải, độ chính xác định vị có thể đạt cỡ dm thậm trí cm.

Định vị vi phân còn cho phép xác định tọa độ trong hệ tọa độ thực dụng, nếu tọa độ trạm tham chiếu đó được xác định trong hệ thực dụns Hệ thong truyền phát các số cai chính đón2 vai trò quan trọng trong hệ thốnơ

¿z(t) = ZA-Z A(t)

định vị vi phân Người ta gọi các hệ thống này là hệ thống hỗ trợ mặt đất trong đo DGPS Một số quốc gia hoặc khu vực đã xây dựng hệ thống này, thí dụ như hệ thống tăng cường diện rộng W AAS (Wide Area Augmenting System) của Mỹ Hệ thống đạo hàng địa tĩnh phủ trùm châu Âu EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay) của châu Âu và hệ thống tăng cường đa năng M SSA (Multi - M ission Satellite Augmenting System) của Nhật Bản.

Kỹ thuật định vị vi phân DGPS về cơ bản chia làm hai loại là DGPS cục bộ (diện hẹp) và DGPS diện rộng Đặc điểm của kỹ thuật DGPS diện hẹp là cung cấp cho người sử dụng thông tin cải chính GPS vi phân tổng hợp các số cải chính cho trị đo chứ không cung cấp số cải chính cho từng nguồn sai số Phạm vi tác dụng của nó khá hẹp, trong vùng bán kính khoáng 150km Còn đặc điểm của kỹ thuật DGPS diện rộng là tính riêng từng nguồn sai số chủ yếu trong định vị GPS và phát tín hiệu sai phân cho người

sử dụng, phạm vi tác dụng của nó tương đối lớn với bán kính khoảng trên l.OOOkm.

1.4.3.2 K h ả i q u á t về k ỹ th u ậ t D G P S diện hẹp

Định vị DGPS diện hẹp được viết tắt là LADGPS (Local Area Differential GPS) là kỹ thuật định vị tức thời gồm các trạm cơ sở, các trạm trong mắt xích thông tin liên lạc, xử lý số liệu và các máy thu của người sứ dụng dựa trên cơ sở đồng thời quan sát đồng bộ quĩ đạo vệ tinh.

Thường người ta cho rằng trạm quan sát và trạm cơ sờ cùng quan sát một vệ tinh nào đó thì trong một khoảng cách nhất định từ trạm cơ sơ đên trạm quan sát (nói chung là không quá 150 km) thì tương ứng với cùng một đoạn quĩ đạo của cùng một vệ tinh Do vậy giữa chúng có mức độ tương quan mạnh, hay nói cách khác chúng có cùng nguồn sai số do đó sẽ được loại trừ khi xử lý số liệu Theo kinh nghiệm, với khoảng cách từ trạm cơ sở đến trạm sử dụng không quá 150 km, với phương pháp LADG PS khoảng cách giả có thể đạt độ chính xác định vị cỡ 3.10"5 - 10'4 tức là ứng với sai số 3-10 m Nếu sử dụng phương pháp LADGPS đo pha thì độ chính xác định

vị có thể được nâng cao vài lần nhưng kỹ thuật này tương đối phức tạp và phạm vi hoạt động từ trạm cơ sở đến trạm sứ dụng hiện nay không vượt quá

30 km Kỹ thuật này có ý nghĩa quan trọng đối với các hệ thống đạo hàng độ chính xác cao (ví dụ như trong điều khiển máy bay cất cánh, hạ cánh ).

1.4.3.3 K h á i qu á t về k ỹ thu ật D G P S diện rộng

Nguyên tắc cơ bán của kỹ thuật định vị vi phân diện rộng WADGPS (Wide Area Differential GPS) là phân loại sai số trong đo GPS mô hình hóa từng loại sai số để tính riêng cho từng số hiệu chinh của mồi loại sai số (gọi

là các số hiệu chinh sai phân) thông qua các mất xích thông tin liên lạc phát cho người sử dụng.

Hình 1.18 Định vị GPS vi phân diện rộns

Hệ thống WADGPS quan tâm đến 3 nguồn sai số chủ yếu sau:

- Sai số lịch vệ tinh, bao gồm cả kỹ thuật e trong SA.

- Sai số của đồng hồ vệ tinh, bao gồm cả kỹ thuật 5 trong SA;

- Độ trễ thời gian tín hiệu khi tín hiệu xuyên qua tầng điện ly.

Hệ thống W ADGPS thường bao gồm một trạm chủ, một số trạm theo dõi vệ tinh GPS (gọi là các trạm cơ sở hay trạm tham khảo), một trạm phát tín hiệu sai phân, một trạm giám sát, hệ thống thông tin liên lạc dẫn truyền

số liệu và các trạm sử dụng.

Nguyên lý làm việc của hệ thống có thế chia ra làm 5 bước sau:

1 Ở các trạm theo dõi vệ tinh GPS đã có tọa độ địa tĩnh chính xác, tại

đó theo dõi và nhận lịch vệ tinh thông báo các thông tin về khoảng cách giả, pha sóng tải

2 Các thông tin thu nhận được ở các trạm theo dõi, thông qua mạng lưới dẫn truyền số liệu về trạm chủ.

3 Trạm chủ tính số cải chính quĩ đạo vệ tinh cho lịch vệ tinh thông báo, tính số cải chính đồng hồ vệ tinh và độ trễ thời gian của tín hiệu do tần điện ly.

4 Thông qua trạm phát của các trạm trong mạng lưới thông tin liên lạc phát tín hiệu cải chính sai phân cho người sử dụng.

5 Các trạm sử dụng thu tín hiệu hiệu chỉnh và tiến hành hiệu chính vào kết quả định vị GPS điểm đơn để nhận được kết quả định vị chính xác hơn.

Hệ thống W ADGPS bao gồm:

Trạm khốn g c h ế c ơ s ở (trạm chủ): Trong hệ thống W ADGPS trạm

chủ đóng vai trò quan trọng Qua hệ thống thông tin liên lạc giữa trạm chủ

và các trạm theo dõi với số liệu đo khoảng cách giả và các số hiệu chỉnh độ trễ thời gian của tầng điện ly của các trạm theo dõi kết hợp với số liệu cúa trạm chủ tính ra 3 số hiệu chỉnh sai phân trên phạm vi rộng Qua hệ thống thông tin liên lạc, các số hiệu chỉnh sai phân được truyền đến các trạm phát

để phát đi cho người sứ dụng.

Các trạm theo dõ i: Có tọa độ địa tâm 3 chiều với độ chính xác ± 0.2 m

(trong hệ ITRF) Xung quanh trạm theo dõi phải đám bảo góc ngưỡng lớn hơn 5° Trạm theo dõi cần có đồng hồ nguyên từ đế xác định độ trề thời gian tín hiệu do tầng điện ly (đối với máy thu 2 tần), có các thiết bị tự ghi các yêu

tố khí tượng

Nhiệm vụ của trạm theo dõi là chuyển kết quả gốc đo khoảng cách giả, số liệu khí tượng, số hiệu chinh trễ thời gian do tầng điện ly của khu vực mà trạm phụ trách thông tin đến trạm chú, trong đó trị đo khoáng cách giả dùng để tính sai số đồng hồ vệ tinh nên có tần suất thu tín hiệu ls/lần Nói chung, hệ thống WADGPS cần có 4 đến 6 trạm theo dõi.

Trạm s ử dụng: Máy thu trong các trạm sử dụng của hệ thống

WADGPS nên là máy thu 1 tần với C/A code Xung quanh trạm thu nên bảo đảm góc ngưỡng lớn hơn 15° Tại trạm sử dụng phải có thiết bị thu nhận tín hiệu hiệu chỉnh và có phần mềm xử lý tức thời tín hiệu hiệu chinh để nhận được tọa độ tức thời cúa trạm sứ dụng.

M ạng lư ớ i h ệ thốn g thông tin liên lạc và các trạm p h á t số hiệu chỉnh sa i ph ân Sự khác nhau giữa mạng lưới thông tin liên lạc trong hệ

thống WADGPS và LADGPS là ở chồ bảo đảm mối liên lạc giữa các trạm chủ và trạm theo dõi Trạm chủ và các trạm phát tín hiệu đều có máv tạo mã thông tin, còn ở các trạm sử dụng có máy giải mã điều này eiống như hệ thong LADGPS Nhưng do phạm vi phủ sóng của hệ thống W ADGPS rất lớn, dung lượng thông tin cũng lớn nên ở trạm theo dõi phát đến trạm chủ và

ở các trạm phát chuyển tín hiệu đến người sử dụng thường là sóng dài thuộc

họ tín hiệu thông tin liên lạc vệ tinh.

Có thể thấy rằng mạng lưới thông tin liên lạc của W ADGPS có tốc độ truyền tin cao, dung lượng thông tin lớn, khoảng cách truyền tin dài, diện tích phủ sóng lớn (hàng ngàn km) Vì vậy hệ thống thông tin liên lạc số liệu của W ADGPS là phức tạp và kinh phí đầu tư lớn.

1.4.3.4 K h á i q u á t về k ỹ th u ậ t D G P S tăng cư ờ ng

Ngoài các kỹ thuật LADGPS và WADGPS đã nêu ở trên còn có kỹ thuật định vị vi phân diện rộng tăng cường W AADGPS (W ide Area Augmentation Diferential GPS) Phương thức hoạt động của nó là đưa tín hiệu hiệu chỉnh sai phân khu vực rộng do trạm chu tính được từ trạm măt đất phát lên các vệ tinh địa tĩnh Các vệ tinh này dùng tần số LI cua GPS

thông qua thông tin đạo hàng của GPS phát lại các tín hiệu hiệu chinh sai phân nói trên cho các trạm sử dụng.

Đặc điểm kỹ thuật này là:

- Vì hệ thống thông tin số hiệu chỉnh dùng tần số giống như tần số của vệ tinh GPS, cho nên máy thu GPS của người sử dụng có thể thu trực tiếp tín hiệu hiệu chỉnh sai phân của WAADGPS mà không cần một hệ thống thông tin khác.

- Khả năng truyền tin tức thời của vệ tinh địa tĩnh rất mạnh nên diện phủ sóng cực lớn.

Hình 1.19 Hệ thống định vị GPS vi phân tăng cường

hiệu hiệù chỉnh mà còn phát cả lịch vệ tinh địa tĩnh và C/A Code, lúc này vệ tinh địa tĩnh trở thành một vệ tinh GPS giả không gian tương đương như một nguồn đo khoảng cách giả đến vệ tinh, vì thế độ chính xác định vị của trạm sử dụng sẽ được nâng cao hơn và tin cậy hơn hệ thống WADGPS Việc ứng dụng W AADGPS cho phép xây dựng một hệ thống đạo hàng liên tục trong phạm vi toàn cầu Mặc dù WADGPS và W AADGS có thể thỏa mãn độ chính xác cao cho các trạm sử dụng trong phạm vi rộng, ví dụ như yêu cầu định vị tức thời với độ chính xác cỡ ±2 - 5 m, nhưng trong trường hợp cần độ chính xác định vị tức thời với độ chính xác dưới ±1 m (như yêu cầu dẫn đường vào cảng, máy bay hạ, cất cánh ), trong trường hợp này dùng định vị vi phân diện hẹp tăng cường LAADGPS (Local Area Augmentation DGPS) Phương

thức hoạt động chủ yếu của nó là dùng mã C/A khoảng cách giả để phát tín hiệu hiệu chỉnh sai phần khoảng cách giả và sai phân hiệu pha sóng tai do trạm chủ thu được Dùng sóng điều biến LI đê phát cho các trạm sử dụng Cũng tương tự như hệ thống WAADGPS các trạm sử dụng dùng máy thu GPS thông thường có thể thu được thông tin trên để cải thiện độ chính xác và

độ tin cậy khi định vị tức thời Các trạm cơ sở này gọi là các vệ tinh GPS giả mặt đất hay “ Tựa vệ tinh “ (Pseudolites =Pseudo + Satellite).

1.5 CÁC NGUỒN SAI SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KẾT QUẢ ĐO GPS

Các nguồn sai số ảnh hưởng tới độ chính xác định vị vệ tinh GPS bao gồm các nguồn sai số chính là sai số do hệ thống, sai số do m ôi trường, sai

số do đồng hồ vệ tinh, sai số do người đo

1.5.1 Sai sô' do hệ thống

1.5.1.1 S a i số của đồng hồ trên vệ tinh và tron g đồn g hồ m á y thu

Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác

và kết quả đo GPS Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là việc có thể làm ngay được, như lắp đặt đồng hồ nguyên tử như trên vệ tinh, tuy nhiên giá thành máy thu sẽ rất cao Do vậy, người ta chỉ có thể cải tiến đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đồng bộ với đồng hồ vệ tinh.

1.5.1.2 S a i sổ quỹ đạo vệ tinh

Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu vào tọa độ tuyệt đối trong hệ WGS - 84 và chi có thể xác định được với độ chính xác khoảng

10 m đến 100 m Tọa độ này có vai trò rất quan trọng trong việc tính toán gia sổ tọa độ AX, AY, AZ của các Baseline N ếu độ chính xác tọa độ tuyệt đối của một đầu Baseline tăng được từ 1 m đến 2 m thì độ chính xác của

AX, AY, AZ có thể tăng thêm được 1 dm Chính vì vậy người ta cần có tọa

độ trong hệ WGS - 84 tới cỡ 2 m để có được Baseline có độ chính xác cao

Đe khắc phục sai số này người ta sử dụng các biện pháp sau:

- Sử dụng lịch vệ tinh chính xác tại thời điếm đo: Lịch vệ tinh chính xác

có thể có được nếu yêu cầu N A SA hoặc IGS cung cấp nhưng cách này không tiện dùnu vì phái chờ đợi một khoang thời eian không ngăn.

- Quan trắc liên tục trong 24 giờ: Tức là 2 vòng quỹ đạo của 24 vệ tinh

có thể hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt tới 1 m Độ chính xác này đã được thừ nghiệm tại Việt Nam và đã so sánh kết quả đo tọa độ tuyệt đối với kết quả lan truyền tọa độ theo các Baseline từ một điếm gốc tọa độ tuyệt đối cũng như với tọa độ đo nối với lưới IGS quốc tế.

- Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNISTAR cung cấp theo công nghệ RTCM với các số hiệu chỉnh tọa độ được cung cấp từ hệ thống các trạm cố định toàn cầu Công nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt Nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo.

1.5.2 Sa! số do môi trường

1.5.2.1 S a i số do tần g đổi lưu và tầng điện ly

Hình 1.20 Sai số do tầng điện ly

Sai số do tầng điện ly: Đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi

từ khoảng không của vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển Sai số này không gây ảnh hưởng lớn đến kết quả đo trong khoáng cách ngắn mà chỉ có

ý nghĩa trên khoảng cách dài Để khắc phục sai số này người ta sử dụng tần

số thứ hai để hiệu chinh vào các trị đo trên khoáng cách dài.

Sai so do tầng đổ i lưu: Đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ lóp

khí quyển gần mặt đất Tầng đối lun phân bố trong phạm vi từ mặt đất tới

độ cao gần 50 km Khi qua tầng đối lưu tốc độ truyền sóns biến động phức tạp hơn, tùy thuộc vào tình hình mặt đất (như sông, hồ, sa m ạ c ) và thời tiết Sai số này có tác động chu yếu vào các trị đo trên khoáng cách ngắn mà không phụ thuộc nhiều vào khoảng cách dài.

Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm đê tính sô hiệu chỉnh do ảnh hưởng của tầng đối lun Đến nay các phần mềm đã sử dụng sô hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hom số hiệu chỉnh theo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.

Hình 1.21 Sai số do tầng ion và tầng đối lun

1.5.2.2 S a i số do hiện tượng đa đư ờng dẫn

Sai số này do hai nguồn gây ra, một là do các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu tạo nên (như các đài truyền hình, truyền thanh), hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh Ăng-ten Để khắc phục các sai

số này người ta cải tiến các Ảng-ten có độ nhạy cao hơn nhằm tạo khả năng

tự lọc nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (cả firmware và software), bên cạnh đó người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ

15° trở lên so với mặt phẳng chân trời.

M

Hình 1.22 Sai số do hiện tượng đa đường dẫn

1.5.2.3 S a i số do hiện tư ợng trư ợt chu kỳ

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phái thu được tín hiệu ít nhất từ 4

vệ tinh tức là phài có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó.

Tín hiệu vệ tinh là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn

Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng lên bầu trời có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo đạc.

Khi sử dụng trị đo pha cần phải bảo đảm thu tín hiệu

vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu, tuy nhiên có những trường hợp ngay cả khi

vệ tinh nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu Trường hợp đó có một chu

kỳ không xác định đã trôi qua

mà máy thu không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi làm sai kết quả định vị Do đó phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS Một số máy thu có thể nhận biết được sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chinh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý hiện tượng trượt chu kỳ.

1.5.3 Sai số do đồ hình vệ tinh

Ta biết rằng việc định vị GPS là việc giái bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và khoảng cách đến các máy thu Trong trường hợp tối ưu khi tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Vệ tinh tập trung ở vùng thiên đỉnh của máy thu hoặc phân tán gần đường chân trời có thể dẫn đến khả năng điểm giao hội nhập nhang trên một đoạn thẳng Đại lượng đặc trưng tình hình phân bố này được gọi là độ suy giảm của độ chính xác DOP (Dillution O f Precision) DOP có giá trị từ 1 đến 10, cũng có thể gọi là cường độ phân bố vệ tinh Trị DOP càng cao, độ suy giảm càng lớn.

chu kỳ

- ơo: Sai số của trị đo.

Trong phép định vị tĩnh cường độ phân bố vệ tinh DOP được quy định không lớn hơn 4.

Sự phân bố vệ tinh ảnh hường khác nhau đến độ chính xác mặt phẳng, độ cao và thời gian, bởi vậy có trị DOP cho vị trí không gian PDOP (Position Dilution o f Précision) - độ suy giảm chính xác vị trí không gian 3D, cho vị trí mặt phang HDOP (Horizontal Dilution o f Précision) - độ suy giảm chính xác trong mặt phẳng 2D, cho độ cao VDOP (Vertical Dilution o f Précision) - độ suy giảm chính xác trong độ cao và cho thời gian TDOP (Time Dilution o f Précision) - độ suy giam chính xác trong thời gian Trị DOP sẽ được máy thu tính cụ thế và công bố cho từng điếm đo.

Đẻ chọn được trị DOP tối ưu, khi lập kế hoạch định vị, có thê dựa vào lịch vệ tinh đê chọn vệ tinh cho từng điểm máy Lịch này thường được cấp trong phần mềm xử lý trị đo.

Tuy nhiên đến nay khi trên bầu trời đã có 24 vệ tinh GPS ơ mồi bán cầu Đông hoặc Tây có đến 11 vệ tinh xuất hiện, ơ mồi điêm m a\ thường

xuyên thu được tín hiệu của 7 hoặc 8 vệ tinh thì có thể dễ dàng chọn được 4

vệ tinh có độ phân bố có lợi nhất để thu và xử lý số liệu.

Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution o f Precision) Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối

tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu.

1.5.4 Sai số do người đo

Khi đo GPS, tâm hình học của Ăng-ten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi Ăng-ten phải đặt cân bằng, chiều cao

từ tâm hình học của Ăng-ten cần đo và ghi chính xác Đo chiều cao không chính xác là lỗi hay mắc phải của người đo GPS Ngay cả khi xác định tọa

độ mặt phẳng đo chiều cao cũng rất quan trọng vì GPS là hệ thống định vị

ba chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại.

Một loại sai số khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS mà nguyên nhân là

do phần mạch điện tử và sự suy giảm độ chính xác của máy thu Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn.

1.5.5 Nhiễu SA và nhiễu AS

Là những biện pháp mà Bộ Quốc phòng Mỹ buộc phải sử dụng đế hạ thấp độ chính xác định vị, phòng ngừa việc sứ dụng những phương tiện này vào mục đích quân sự.

Nhiễu SA được phủ lên mã C/A bàng cách biến điệu mã này theo biên

độ hoặc tần số Cũng có lúc chủ động gia thêm sai số vào tọa độ quỹ đạo của vệ tinh Nhiễu SA có thể hạ thấp độ chính xác định vị lớn nhất đến 300 mét, trung bình 100 - 140 mét Nhiễu SA xuất hiện trong 95% thời gian vệ tinh phát tín hiệu Có thể khắc phục nhiễu SA bằng cách dùng phép định vị

vi phân hoặc dùng pha sóng tải để đo cạnh từ vệ tinh đến tâm Ăng-ten máy thu Từ ngày 20/5/2000, Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.

Để thực hiện nhiễu AS đã dùng mã Y để phủ lên mã p Từ năm 1993 đến nay những máy thu hai tần (có thể thu mã p do sóng L2 chuyến tái) đều không thu được dữ liệu mã p Chi những cơ quan được phép mới được tạo biện pháp giải mã Y để thu và xử lý mã p Tuy nhiên gần đây đã phát triền

kỹ thuật bắt vệ tinh z (Z-tracking technique) Cùng với kỹ thuật này xuất

hiện máy thu hệ z có thể tự động giải mã Y để xử lý mã p tuy nhiên giá thành khá cao, ví dụ, máy thu hai tần Ashtech M D-12 (12 kênh có thê thu cùng lúc tín hiệu của 12 vệ tinh) giá 12.000 còn máy Ashtech Z-12 giá

tuyệt đối chính xác cao hoặc định vị cạnh dài (trên 1.000 km).

Những ảnh hưởng đến độ chính xác định vị nói trên đang được nghiên

<jứu khắc phục ngày càng có hiệu quả, thế hiện trên thị trường GPS ở nhiều loại máy thu gọn nhẹ, bắt tín hiệu nhạy, tiêu thụ ít năng lượng, chống được nhiễu nội bộ và hiện tượng phán xạ nhiều lần và nhiều chương trình xử lý mạnh, nhằm đáp ứng yêu cầu định vị ngày càng cao.

CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VÈ VIỄN THÁM 2.1.1 Nguyên lý viễn thám

Từ khi vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên "LANDSAT - 1" được Mỹ phóng lên không gian vào năm 1972, đã mở ra khả năng con người quan sát trái đất từ vũ trụ và kỹ thuật viễn thám từ đó được phát triển với nhiều ứng dụng cho cuộc sống của con người.

Viễn thám được định nghĩa là kỹ thuật thu nhận từ xa các thông tin về các đổi tượng, hiện tượng trên Trải đất và các hành tinh khác thông qua những đặc trưng riêng về phản xạ và bức xạ sóng điện từ.

Kỹ thuật viễn thám được dựa trên nguyên tắc thu nhận và xử lý năng lượng phản xạ quang phổ điện từ hoặc bức xạ nhiệt khác nhau của các đối tượng khác nhau trong tự nhiên.

2.1.1.1 N guyên lý p h ả n x ạ ánh sáhg khác nhau

Chúng ta nhận biết các đối tượng nhờ ánh sáng nhìn thấy được phản

xạ từ bề mặt các đối tượng Ánh sáng nhìn thấy bao gồm các ánh sáng thành phần như xanh nước biển, xanh lá cây, đỏ Thực vật có màu xanh lá cây vì chúng phản xạ mạnh ánh sáng màu này trong ánh sáng nhìn thấy Ngoài ra,

bề mặt các đối tượng cũng phản xạ ánh sáng vùng gần hồng ngoại và vùng ánh sáng tử ngoại (cực tím) mà mắt người không nhìn thấy.

Các đối tượng khác nhau dưới mặt đất sẽ phản xạ các bước sóng điện

từ khác nhau Vì thế các đối tượng mặt đất thuộc cùng một lớp sẽ có phổ (độ đen) khác nhau trong các băng phổ khác nhau và các đối tượng thuộc các lớp khác nhau cũng sẽ có phổ khác nhau trên cùng một băng phổ Hay nói cách khác, tất cả các đối tượng trong tự nhiên sẽ có phản xạ phổ riêng đặc trưng phụ thuộc vào các đặc trung bề mặt của chúng Ví dụ như phán xạ cúa thực vật, đất và nước như chỉ ra trong hình 2.1.

AS nhin tháy Vùng hồng ngoại

Hình 2.1 Phản xạ quang phổ của nước, đất và thực vật

Dựa vào đặc trưng này, chúng ta có thể nhận biết và phân loại các đối tượng nhờ việc đo cường độ phổ phán xạ từ bề mặt các đối tượng trên tư liệu ảnh viễn thám.

2.1.1.2 N guyên lý bức x ạ nàng lư ợng nhiệt khác nhau

Tất cả các đối tượng trong tự nhiên bức xạ năng lượng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ riêng của chúng và bức xạ nhiệt này như chỉ ra trong hình 2.2 đối với các vật thế đen Các thông tin nhiệt về các đối tượng có thế thu nhận được nhờ việc đo cường độ bức xạ.

Hình 2.2 Bức xạ đối với vật thề đen

Dựa vào nguyên tắc trên, hệ thống viễn thám có thể hoạt động trong vùng cực tím, vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng gần hồng ngoại và vùng sóng cực ngắn của quang phổ điện từ Như vậy, nhờ các thông tin này, chúng ta cũng có thể nhận biết và phân loại các đối tượng.

Mối quan hệ giữa quang phổ điện từ và các bộ cảm biến như chỉ ra trong hình 2.3.

Nguồn: Nguồn của bức xa điên từ có thể là nguồn tự nhiên cua bức xạ điện từ là ánh sáng mặt trời (nguồn 1) hoặc bức xạ nhiệt của quà đât bị đôt nóng (nguồn 2) hoặc do con người tạo ra như sóng radar (nguồn 3).

Tương tác với bề mặt trái đất: Khi năng lượng điện từ chiếu tới vật thể, một phần năng lượng điện từ bị vật thề hấp thụ, một phần bị phàn xạ và một phần sau đó bị bức xạ Cường độ và các đặc trưng của bức xạ hay phản

xạ phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của các đối tượng khác nhau trên mặt đât.

Tương tác vó i khí quyển: Năng lượng điện từ truyên qua môi trường khí quyển Khi đi qua khí quyển, một phần năng lượng điện từ sẽ bị hấp thụ,

bị biên đôi và tán xạ phụ thuộc vào thành phân khí quyên.

khí quyển được ghi nhờ bộ cảm biến như máy đo bức xạ hoặc máy chụp ảnh Năng lượng điện từ này đi vào hệ thống sensor sẽ được đo đạc và biến đổi thành tín hiệu điện dạng phổ ghi lên băng từ hoặc tạo ra phản ứng hóa học.

Hệ thống viễn thám sử dụng quang phổ của ánh sáng tự nhiên được gọi là hệ thống viễn thám bị động như hệ thống LandSat, Spot ỌuikBird

Hệ thống viễn thám sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra và thu nhận được gọi là hệ thống viễn thám chú động như hệ thống viễn thám Radar.

2.1.3 Bộ cảm biến

Trong kỹ thuật thu nhận ảnh viễn thám, chúng ta có thế sử dụng máy chụp ảnh quang học thu nhận thông tin trên phim hay các hệ thống cám biến khác được gọi là sensor thu nhận thông tin ớ dạng số.

Chụp ảnh bằng máy ảnh quang học sẽ cho ra các ảnh theo phép chiếu xuyên tâm với moi quan hệ hình học ổn định trong toàn bộ trường ảnh Điều này là do máy ảnh chụp ảnh quang học là một bộ cảm nhận hai chiều có khả năng sinh ra ảnh hai chiều tại một thời điểm và thuộc vào loại ảnh tĩnh Ví

dụ, máy chụp ảnh RMK (CARLZEISS Đức) hay máy RC (LEICA Thuỵ Sĩ); SKYLAB, LFC, SPACELAB - 1 (M ỹ), MKF - 6 (N ga - Đ ứ c ) N gày nay, người ta đã và đang nghiên cứu chế tạo máy chụp ảnh hàng không kỳ thuật

số và hiện nay hệ thống máy chụp ảnh số VECXEL ƯLTRACAM XP W/A nhập vào sừ dụng ở nước ta.

Các loại hệ thống cảm biến khác tại một thời điểm chi có thè thu nhận được một hàng ảnh tại một thời điểm nhờ hệ thống quét CCD sinh ra các