CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS ỨNG DỤNG GPS TRONG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH XE BUU CHÍNH

Đề tài : CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS, ỨNG DỤNG GPS TRONG QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU HÀNH XE BUU CHÍNH Cấu trúc của luận văn bao gồm: Chương 1 tìm hiểu về tổng quan về công nghệ GPS. Chương 2 trình bày các vấn đề kỹ thuật liên quan đến xử lý và truyền dữ liệu GPS. Chương 3 trình bày bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính hiện đang dùng tại Trung tâm khai thác vận chuyển và mô hình bài toán nhờ ứng dụng công nghệ GPS. Phần kết luận tóm tắt lại các công việc đã trình bày trong luận văn và định hướng tiếp tục nghiên cứu.

và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin cảm ơn khoa Quốc tế và đào tạo sauđại học của Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông cùng các anh chị em lớp caohọc Điện tử viễn thông khoá 7 đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.

Cảm ơn gia đình, cơ quan và bè bạn luôn khuyến khích và động viên tôi góp phầnkhông nhỏ trong sự hoàn thành luận văn của tôi

TÁC GIẢ

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 3

1.1 Lịch sử phát triển GPS 3

1.2 Thành phần hệ thống 4

1.2.1 Thành phần không gian 5

1.2.2 Thành phần điều khiển 5

1.2.3 Thành phần người dùng 6

1.3 Hoạt động của hệ thống 7

1.3.1 Phép đo tam giác 3 chiều trong GPS 7

1.3.2 Hoạt động của hệ thống 8

1.4 Các dịch vụ định vị GPS 9

1.4.1 Dịch vụ định vị chính xác (PPS) 9

1.4.2 Dịch vụ định vị chuẩn (SPS) 9

1.5 Các ứng dụng GPS 10

1.6 GPS và mạng tế bào 10

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS 12

2.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS 12

2.1.1 Sóng mang băng L 12

2.1.2 Mã khoảng cách giả ngẫu nhiên PRN 13

2.1.3 Đặc tính và nội dung bản tin di chuyển 17

2.2 Xử lý tín hiệu GPS 19

2.2.1 Các kỹ thuật liên quan 19

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng 23

2.2.3 Quan trắc giả khoảng cách 31

2.2.4 Quan trắc pha sóng mang 37

2.2.5 Kỹ thuật so sánh 41

2.2.6 Định vị tương đối dùng pha sóng mang 45

2.2.7 Bộ lọc Kalman Filter 50

2.3 Các phương thức truyền dữ liệu GPS 50

2.3.1 Cấu trúc mạng truyền dữ liệu 51

2.3.2 Cấu trúc mạng truyền dữ liệu trực tuyến 51

2.3.3 Cấu trúc mạng truyền dữ liệu không trực tuyến 54

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG GPS TRONG BÀI TOÁN QUẢN LÝ XE BƯU CHÍNH 56 3.1 Bài toán quản lý xe bưu chính 56

3.2 Thiết bị sử dụng 58

3.2.1 Modul GPS 58

3.2.2 Mạch vi xử lý thu thập dữ liệu GPS 59

3.3 Xây dựng phương án quản lý xe bưu chính bằng GPS 60

3.3.1 Quản lý theo phương thức trực tuyến 60

3.3.2 Quản lý theo phương thức không trực tuyến 61

3.4 Xây dựng chương trình quản lý dữ liệu GPS 62

3.4.1 Giới thiệu 62

3.4.2 Chức năng của chương trình 62

3.4.3 Thuật toán của chương trình 64

3.5 Một số phương pháp khác để xây dựng chương trình 66

3.5.1 Sử dụng phần mềm Google/Earth: 66

3.5.2 Sử dụng thiết bị DragonFly kết hợp với phần mềm Google/Earth: 67

3.5.3 Quản lý định vị qua mạng internet: 68

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 1 72

PHỤ LỤC 2 73

PHỤ LỤC 3 74

PHỤ LỤC 4 75

THUẬT NGỮ, CHỮ VIÊT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

IGS International GPS service Dịch vụ GPS quốc tế

IOC - Initial Operational Capability Mức độ hoạt động khởi tạo

ITRS International Terrestrial

Reference System

Hệ tham chiếu mặt đất quốc tế

FOC Full Operational Capability Toàn khả năng hoạt động

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói tin trên sóng vô tuyến

TSFR Tapped shift feedback Register Thanh ghi dịch tuyến tính lùi bướcUTC Universal Time Coordinated Thời gian tham chiếu chuẩn

WGS84 World Geodetic System 1984 Hệ thống trắc địa học toàn cầu 1984

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1: Bảng chân lý hàm nhị phân XOR 13

Bảng 2 2: Thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái đầu ra là C 14

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS 4

Hình 1.2: Phép xác định toạ độ 3 chiều 8

Hình 1.3: Thiết bị dẫn đường trên phương tiện vận chuyển 11

Hình 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh GPS 12

Hình 2.2: Tạo mã PRN sử dụng hai thanh ghi mã vàng Gold Code 15

Hình 2.3: Ví dụ trật tự chip mã C/A và P 16

Hình 2.4: Định dạng và nội dung bản tin GPS 17

Hình 2.5: Khoảng cách hình học và lỗi đồng hồ 20

Hình 2.6: Đo nhịp pha sóng mang kết hợp 21

Hình 2.7: Độ lệch và lỗi GPS 23

Hình 2.8: Độ lệch lịch thiên văn vệ tinh 24

Hình 2.9: Độ trôi đồng hồ 26

Hình 2.10: Các thành phần phép đo pha sóng mang tích hợp 29

Hình 2.11: Ảnh hưởng đa đường 30

Hình 2.12: Hình học so sánh đơn 42

Hình 2.13: Hình học so sánh 2 lần 43

Hình 2.14: Hình học phép so sánh 3 lần 44

Hình 2.15: Hình học phép so sánh 2 lần với 3 vệ tinh 45

Hình 2.16: Minh họa phương thức truyền dữ liệu trực tuyến 52

Hình 2.17: Modem Motorolla G18 53

Hình 2.18: Minh hoạ phương thức truyền dữ liệu không trực tuyến 54

Hình 3.1: Quy trình quản lý vận chuyển xe bưu chính của VNPT 57

Hình 3.2: Sơ đồ khối của mạch vi xử lý trên xe bưu chính 59

Hình 3.3: Thiết bị đặt trên xe bưu chính 60

Hình 3.4: Menu xem lộ trình trên bản đồ 62

Hình 3.5: Màn hình đọc dữ liệu lộ trình thông qua mở file dạng txt 63

Hình 3.6: Màn hình thêm lớp bưu cục 63

Hình 3.7: Màn hình các chức năng menu chính 64

Hình 3.8: Màn hình các chức năng menu chính 65

Hình 3.9: Phần mềm Google Earth 66

Hình 3.10: Giải pháp sử dụng thiết bị DragonFly kết hợp Google earth 67

Hình 3 11: Ví dụ về trang web quản lý dữ liệu GPS 69

LỜI NÓI ĐẦU

Việc ứng dụng công nghệ GPS trong các bài toán quản lý phương tiện giaothông đang trở nên phổ biến trên thế giới và đây là một dịch vụ mang lại giá trị gia tăngcao dựa trên công nghệ viễn thông và công nghệ thông tin Ở nước ta trong vài nămgần đây một số công ty cũng đã ứng dụng GPS để nâng cao năng lực quản lý chuyênngành như Ngân hàng Liên việt, các hãng taxi, xe buýt Đối với ngành Bưu chính,việc áp dụng công nghệ GPS trong việc quản lý các phương tiện vận chuyển Bưu chính

sẽ đem lại hiệu quả cao, phù hợp với các phương thức quản lý tập trung hiện đại Trungtâm khai thác vận chuyển trực thuộc Bưu điện thành phố Hà nội đảm nhận nhiệm vụkhai thác, chia chọn, trung chuyển giữa các tỉnh thành phố và vận chuyển bưu gửi bằngcác xe ô tô chuyên ngành Bưu chính Thực tế Trung tâm đang quản lý và điều hànhbằng nhân công nên gặp rất nhiều khó khăn chẳng hạn như: không thể biết chính xác

xe đang ở đâu, không kiểm soát chính xác được chỉ tiêu thời gian khi vận chuyển, khiđiều phối xe tăng cường gặp khó khăn Vì vậy nhu cầu ứng dụng GPS trong côngviệc này ngày càng cao và cấp thiết hơn do khối lượng cũng như tần xuất vận chuyểnhàng hoá ngày một tăng

Luận văn này đề cập đến việc tìm hiểu các vấn đề kỹ thuật của công nghệ GPS,

từ đó lựa chọn và xây dựng mô hình ứng dụng GPS trong quản lý và điều hành xe Bưuchính Cấu trúc của luận văn bao gồm:

Chương 1 "Tổng quan về công nghệ GPS" giới thiệu lịch sử phát triển GPS,cấu trúc và hoạt động của hệ thống GPS, các ứng dụng GPS hiện nay

Chương 2 nghiên cứu các vấn đề kỹ thuật liên quan đến "xử lý và truyền dữ liệuGPS" bao gồm: cấu trúc tín hiệu vệ tinh, xử lý tín hiệu và phương thức truyền dữ liệuGPS từ bộ thu về trung tâm xử lý dữ liệu thông qua các dịch vụ sẵn có của mạng thôngtin di động GSM

Chương 3 xây dựng bài toán quản lý và điều hành xe Bưu chính dùng tại Trungtâm khai thác vận chuyển nhờ ứng dụng công nghệ GPS, kết hợp bản đồ số và mạngthông tin di động GSM

Phần kết quả cuối cùng của luận văn đưa ra sản phẩm bộ thu GPS được chế tạovới giá thành rẻ và chương trình định vị theo dõi xe Bưu chính viết bằng phần mềmMapInfo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS

1.1 Lịch sử phát triển GPS

Năm 1957 Nga phóng vệ tinh Sputnik mở ra kỷ nguyên GPS, khi đó các nhàkhoa học nghiên cứu các quỹ đạo và truy tìm vệ tinh bằng sóng vô tuyến

Đến năm 1964 tàu ngầm của Mỹ bắt đầu dùng phương pháp này để định vị và

hệ thống đó chính là hệ thống định vị nổi tiếng TRANSIT Hệ thống này chỉ dùng một

vệ tinh để đọc thông tin nên mất khá nhiều thời gian đọc khoảng từ 35 đến 45 phút

Vào ngày 31/5/1967 hải quân Mỹ đã phóng vệ tinh TIMATION I để cải tiến hệthống TRANSIT cũ với việc dùng đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh

Năm 1973 chương trình NAVSTAR được bắt đầu, hệ thống này sử dụng nhiều

vệ tinh khác với TRANSIT cho kết quả chính xác hơn và thông tin đọc nhanh hơn

Từ 1974 -1979 tiến hành kiểm tra hệ thống Năm 1977 thử nghiệm các bộ phátđáp giả lập trên mặt đất trước khi đưa vệ tinh lên quỹ đạo Năm 1978 NAVSTAR (viếttắt của từ dẫn đường bằng thời gian và khoảng cách) bây giờ gọi là GPS (Định vị toàncầu) chính thức được Bộ nội vụ Mỹ dùng trong quân sự với 11 vệ tinh trên quỹ đạo(1978 – 1985)

Năm 1979 Mỹ quyết định mở rộng hệ thống GPS

Năm 1982 Bộ nội vụ Nga sử dụng hệ thống vệ tinh GLONASS

Năm 1983 Khi máy bay dân sự của Hàn quốc bị Nga bắn hạ do máy bay nàykhông biết mình vi phạm vào lãnh thổ của Nga, từ đó nhu cầu GPS trở thành dự án phổthông và người ta quyết định sử dụng GPS trong lĩnh vực dân sự

Năm 1988 Số vệ tinh tăng lên 24 vì 18 vệ tinh không thoả mãn nhu cầu

Năm 1989 Vệ tinh Block II đầu tiên được lắp đặt và sử dụng

Năm 7/1991 áp dụng tính sẵn có có lựa chọn SA

Ngày 8/12/1993 Công bố khả năng sử dụng khởi tạo (IOC) Trong cùng nămnày quyết định cho phép dùng trong lĩnh vực dân sự toàn cầu miễn phí

Tháng 3/1994 Các vệ tinh Block II cuối cùng được đưa lên chùm sao vệ tinh

Ngày 17/7/1995 Đầy đủ 24 vệ tinh GPS trên quỹ đạo Tính chất khả năng sửdụng hoàn toàn FOC được công bố.

Năm 1996 Tổng thống Mỹ Clinton cấp SA cho dân sự toàn cầu với độ chính xáccao hơn

Ngày 2/5/2000 UTC SA được thực thi theo quyết định của Clinton năm 1996.Lĩnh vực dân sự có thể đạt độ chính xác 10–15 m, so với độ chính xác 100 m trướcđây

Ngày 20/3/2004 Phóng lên vệ tinh GPS thứ 50

Ngày 25/9/2005 Phóng lên vệ tinh IIR-M GPS đầu tiên Loại vệ tinh mới này hỗtrợ các tín hiệu quân sự mới (tín hiệu - M) và tín hiệu dân sự thứ hai L2C

1.2 Thành phần hệ thống

Hệ thống GPS được chia theo quy ước là 3 thành phần như sau:

Hình 1.1: Các thành phần của hệ thống GPS

1.2.1 Thành phần không gian

Bao gồm các vệ tinh truyền tín hiệu cần thiết để hệ thống hoạt động Chức năng

cơ bản của vệ tinh:

 Nhận và lưu trữ dữ liệu do thành phần điều khiển truyền đến

 Duy trì thời gian chính xác bằng các phương tiện sử dụng một vài chuẩn tần sốđồng hồ nguyên tử nằm ngay trên vệ tinh

 Truyền tín hiệu và thông tin tới người dùng qua 1 hoặc 2 băng tần L

Các vệ tinh ban đầu khối I được chế tạo bởi tập đoàn Rockwell Internationalcorporation Các thế hệ tiếp theo được chia ra làm 4 loại: II, IIA, IIR và IIF Khối vệtinh II và IIA có 28 quả trong đó 24 quả được đưa lên và đang dùng, các quả còn lại là

để dự phòng Khối vệ tinh IIR có 20 quả và dự kiến chế tạo thêm 6 quả nữa Loạt khốiIIF vẫn nằm trong giai đoạn thiết kế và có thể dùng để truyền tần số bổ sung Chu kỳthiết kế đối với khối vệ tinh II/IIA GPS là 7.5 năm (tuổi thọ thiết kế của khối I là 5năm, và tuổi thọ dự kiến là 10 năm đối với khối vệ tinh IIR) Số hiệu của vệ tinh đượcdùng theo quy ước sau:

 Số NAVSTAR (hoặc SVN): Các vệ tinh khối II được đánh số SVN 13 đến SVN

21 Khối IIA được thiết kế từ SVN 22 đến SVN 40, và khối IIR sẽ là SVN 41trở lên

 Số PRN: là số thành phần có sẵn 37 (37 ngày) của mã P mã giả tạp âm ngẫunhiên (PRN) được gắn với mỗi vệ tinh

1.2.2 Thành phần điều khiển

Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị để theo dõi tình trạng vệ tinh, quansát, truy tìm, ra lệnh và điều khiển, tính toán lịch thiên văn và kết nối đường lên Có 5trạm mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein.Chúng hoạt động với chức năng sau:

 5 trạm này đều là những trạm quan sát, truy tìm vệ tinh và gửi dữ liệu truy tìm

về trạm điều khiển chính MCS

 Cơ sở không lực ở Falcon, Colorado Springs là trạm điều khiển chính MCS xử

lý dữ liệu truy tìm để tính toán lịch tiên văn vệ tinh và sửa đúng lỗi đồng hồ vệtinh Nó cũng là nơi để khởi tạo tất cả các hoạt động của thành phần vũ trụ như

là sự điều động vệ tinh, mã hoá tín hiệu, duy trì đồng hồ vệ tinh, v.v TrạmMCS lại được quản lý bởi sư đoàn thứ cấp vận hành đó là Cánh không gian thứ

50 của Không lực Mỹ

 3 trạm (Ascension Is., Diego Garcia, và Kwajalein) cùng với hai ăng ten kháctrong nội địa Mỹ là các trạm đẩy lên kết nối dữ liệu chiều lên tới vệ tinh Dữliệu bao gồm lịch thiên văn và thông tin sửa đúng đồng hồ được truyền trongbản tin di chuyển, cũng như các lệnh điều khiển từ xa từ trạm MCS

Mỗi trạm đẩy lên có thể nhìn thấy tất cả các vệ tinh một lần trong ngày Bởi vậy tất cảcác vệ tinh sẽ được trạm đẩy lên nhìn thấy 3 lần trong ngày Bản tin viễn thám mới vàlệnh điều khiển từ xa có thể truyền tới GPS xấp xỉ 8 giờ nếu cần Tốc độ đẩy lên hiệnnay là một lần trong ngày (đôi khi là 2 lần/ngày)

Một chức năng quan trọng nữa của thành phần điều khiển là duy trì hệ tham chiếu WGS84 Người dùng GPS truy cập hệ thống này qua lịch thiên văn vệ tinh do

MCS tính toán Cơ sở của dịch vụ GPS quốc tế (IGS) là cung cấp lịch thiên văn chuẩn(ITRS) mà hệ này rất giống với hệ thống WGS84 (trong vòng 1m)

Với bản chất của hệ thống GPS các vệ tinh sẽ hoạt động một cách độc lập vớicác thành phần điều khiển trên mặt đất không cần sự phân cấp rõ trên mặt đất Các vệtinh khối IIR và IIF có các kích hoạt chéo giữa các kết nối và đo đạc vệ tinh Dữ liệuđược xử lý và tạo ra thông tin thiên văn ngay bên trong thành phần không gian

1.2.3 Thành phần người dùng

Thiết bị người dùng GPS bao gồm chương trình phát triển mở rộng cho cả lĩnhvực quân sự và dân sự Khái niệm “thiết bị GPS” tham chiếu tới sự kết hợp của:

 Phần cứng (truy tìm tín hiệu và đo đạc)

 Phần mềm (thuật toán định vị, giao tiếp người dùng)

 Thủ tục vận hành (tuỳ theo độ chính xác, theo chức năng, etc.).

Có rất nhiều ứng dụng GPS và sẽ có những thiết bị GPS phù hợp với lĩnh vực đó Tuynhiên người ta phân loại hệ thống theo kiểu quan sát:

 Các bộ thu dẫn đường dùng trong dân sự dùng mã đo trên tần số L1

 Các bộ thu dẫn đường dùng trong quân sự dùng mã đo trên cả hai tần số băng L

 Các bộ thu truy tìm pha sóng mang đơn tần L1

 Các bộ thu truy tìm pha sóng mang song tần

Trong khi các chương trình nghiên cứu quân sự để đạt được mức độ cao về việcgiảm kích thước, tách khối chức năng và tính tin cậy, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuốitrong dân sự phải thêm việc giảm giá thành và phát triển các đặc tính mà tăng cườngkhả năng của hệ thống không được tối ưu cho nhiều nhóm người dùng chủ yếu tuỳ theo

độ chính xác và tính tin cậy Thực tế ứng dụng khảo sát cần mức độ chính xác cao hơnứng dụng dẫn đường Có rất nhiều nhu cầu định vị chính xác trong các ứng dụng dân

sự khác nhau dẫn đến những ứng dụng cụ thể được thoả mãn theo cách nào đó và cónhu cầu tổ hợp phần cứng và phần mềm Hiện nay có hơn 100 nhà sản xuất thiết bịGPS khác nhau

Điều quan trọng cần phải nhấn mạnh là GPS được thiết kế chủ yếu để dẫnđường (định vị toạ độ) và không phải cho khảo sát Dẫn đường đòi hỏi định vị theo thờigian thực ở mức vài chục mét trong khi đó mục đích khảo sát cần đạt độ chính xác cao

mức cm trên một khoảng cách lớn vài chục km Các thủ tục làm giảm dữ liệu, đo đạc

và quan sát đặc biệt, nghiên cứu để đáp ứng độ chính xác khảo sát.

1.3 Hoạt động của hệ thống

1.3.1 Phép đo tam giác 3 chiều trong GPS

Từ một điểm trên bề mặt trái đất đo đồng thời khoảng cách tới 3 vệ tinh A, B, C.Giao của 3 quả cầu có tâm là các vệ tinh (P1, P2, P3) và có bán kính là khoảng cách từ

vệ tinh đến điểm thu trên mặt đất (r1, r2, r3) là 2 điểm A và B Điểm A là điểm xa tráiđất nên kết quả là điểm B coi như nằm trên bề mặt trái đất và đó là kết quả của phép

đo Tuy nhiên do lỗi về thời gian của đồng hồ bộ thu và các vệ tinh nên người ta dùngtối thiểu 4 vệ tinh để xác định toạ độ 3 chiều (X,Y,Z) và thời gian (T).

Hình 1.2: Phép xác định toạ độ 3 chiều 1.3.2 Hoạt động của hệ thống

Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng

và được đo theo phép tam giác 3 chiều nêu trên Để thực hiện phép đo tam giác này,GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tớimột máy thu mặt đất Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng đồng hồ rất chính xáctrên các vệ tinh (đồng hồ nguyên tử) Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thìviệc biết trước vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được dùng để hoàn thành tính toán.Các máy thu trên mặt đất có một cuốn lịch thiên văn lưu trữ trong bộ nhớ máy tính củachúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào.Các máy thu GPS tính toán thời gian trễ khi qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tụclàm chính xác hơn phép đo vị trí

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốnđồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns tức 3 phần tỷ giây Nhằm tiết kiệmchi phí, các đồng hồ trong các máy thu được làm bằng thạch anh để giảm chi phí Bùlại, phải thêm một phép đo khoảng cách tới vệ tinh thứ tư để loại bỏ lỗi đồng hồ Phép

đo lượng giác chỉ ra rằng nếu 3 phép đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong

không gian ba chiều thì một phép đo thứ tư có loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào

đó và phép đo này chính là sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu

Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ ánh sáng Ngay như tạitốc độ như vậy tin hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máythu Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thunhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh Để đolường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số

vệ tinh truyền tới máy thu

GPS sử dụng một hệ toạ độ gọi là hệ thống trắc địa học Toàn cầu 1984(WGS84) Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinh tuyến và vĩ tuyến quen thuộcthường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn Hệ thống WGS84 cung cấp một khungtham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máy thu của bất kỳ hãng sản xuất nàocũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị

1.4 Các dịch vụ định vị GPS

1.4.1 Dịch vụ định vị chính xác (PPS)

Dịch vụ này dành cho người dùng có đăng ký quyền hạn, có các thiết bị đượcmật mã và có khoá giải mã Dịch vụ này thường dành cho quân đội Mỹ và phe đồngminh, các cơ quan chính phủ Mỹ hoặc những cá nhân được chính phủ Mỹ cho phép.Dịch vụ này có độ chính xác ước tính như sau:

o Độ chính xác phương ngang 100 m.

o Độ chính xác phương dọc 156 m

o Độ chính xác thời gian 340 nano giây

1.5 Các ứng dụng GPS

Các ứng dụng GPS được phân loại như sau:

 Khảo sát bản đồ: trên mặt đất, mặt biển và trong không gian Các ứng dụng này

có độ chính xác tương đối cao, để định vị cho cả trường hợp tĩnh và động Kể cảkhảo sát tài nguyên và địa vật lý, khảo sát thu thập dữ liệu GIS,

 Dẫn đường trên mặt đất, đường biển và hàng không: kể cả giao thông trênđường với độ chính xác cao, theo dõi vận chuyển hàng hoá, truy tìm định vị

Công nghệ GPS thậm chí còn đang được sử dụng kết hợp với công nghệ mạng

tế bào để cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng Với việc ấn một phím bấm trên máyđiện thoại di động mạng tế bào, có thể đàm thoại với một nhà cung cấp dịch vụ và cùngmột lúc báo hiệu tới các dịch vụ điều phối trung tâm thông báo về vị trí của họ về cáctình huống khẩn cấp hoặc các hỏng hóc trang thiết bị

Điều này có thể được với Khối định vị mạng tế bào và nhắn tin khẩn của hãngMotorola Thiết bị này mở ra một kỷ nguyên mới của an toàn di động và theo dõi cácđoàn xe và các đoàn tàu biển Các thiết bị này được thiết kế cho các nhà tích hợp hệthống là những người đang tạo cấu hình các mạng tiêu dùng và thương mại khai thác

qua điện thoại di động tế bào Khối định vị mạng tế bào và nhắn tin khẩn truyền đạtthông tin về vị trí và trạng thái của các phương tiện xe cộ do GPS xác định rất phù hợp

dễ sử dụng trong các hệ thống nhằm trợ giúp cho các nhà quản lý đường bộ, các hãnggiám sát nội vụ, các công ty điện thoại di động, các công ty cho thuê xe ô tô, các nhàkhai thác đội tàu biển thương mại và các nhà sản xuất ô tô tìm kiếm những lợi thếcạnh tranh

Hãng Skytel, nhà cung cấp dịch vụ nhắn tin vô tuyến đang quảng cáo hệ thốngAutoLink dựa trên GPS của họ dùng cho xe ô tô Hệ thống AutoLink cung cấp các dịch

vụ trả lời khẩn cấp tự động, ngăn chặn trộm cắp, theo dõi và bắt xe cộ dừng lại, nhắntin cá nhân hai chiều, mở khoá xe từ xa, đánh dấu số hiệu lái xe, hướng dẫn đường đi

và thông tin dựa trên vị trí

Do tính chính xác của mình, GPS đã nhanh chóng trở thành phương pháp lựachọn để thu thập số liệu tại chỗ cho rất nhiều ứng dụng thương mại, chính quyền vàquân sự GPS chắc chắn trở thành một phương pháp quan trọng và có hiệu quả kinh tếcho việc định vị vô số các mục tiêu trên mặt đất và trên biển Mặc dù Bộ Quốc Phòng

Mỹ cung cấp kinh phí ban đầu, song việc truy cập mạng GPS là miễn phí đối với mọingười dùng Điều này góp phần khuyến khích việc phát triển các ứng dụng và tạo ramột thị trường khách hàng hoàn toàn mới đặc biệt là trong lĩnh vực định vị các phươngtiện giao thông và điều hành xa lộ

Hình 1.3: Thiết bị dẫn

đường trên phương tiện

vận chuyển

CHƯƠNG 2 XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU GPS

2.1 Cấu trúc tín hiệu vệ tinh GPS

Mỗi vệ tinh GPS truyền tín hiệu tập trung vào 2 tần số băng L của phổ điện từ:L1 là 1575.42MHz và L2 là 1227.60MHz Ở tần số sóng viba (sóng cực ngắn) này cótính chất định hướng cao và dễ bị ngắt quãng cũng như bị phản xạ bởi những vật rắn và

bề mặt nước Bên cạnh đó tín hiệu còn bị khúc xạ qua tầng điện ly và tần dối lưu Cấutrúc cơ bản tín hiệu vệ tinh được biểu diễn như hình dưới đây:

Hình 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh GPS.

2.1.1 Sóng mang băng L

Sóng mang là phương tiện để truyền tải bản tin di chuyển và mã khoảng cách tới

trái đất (và tới người dùng) Chức năng chính của mã khoảng cách là để xác định thời gian truyền tín hiệu (từ vệ tinh tới bộ thu - thời gian đến TOA) Thời gian truyền nhận

với tốc độ sóng điện từ (= 299792458m/s trong chân không) sẽ cho các khoảng cách từ

bộ thu đến vệ tinh Thành phần tín hiệu được mô tả như sau:

Tất cả các thành phần tín hiệu vệ tinh đều được tạo ra từ đồng hồ nguyên tử ổnđịnh cao (Hình 2-1) có tần số f0 = 10.23MHz với mức độ ổn định cỡ 1 phần 1013 trong

1 ngày và đó là tần số liên hệ cơ bản Nhân tần số cơ bản f0 với 2 trường số nguyên(154 và120) sẽ thu được 2 sóng mang L1 và L2 là:

fL1 = f0 x 154 = 1575.42MHz có bước sóng tương ứng: L1 = c / fL1 19cm

fL2 = f0 x 120 = 1227.60MHz bước sóng tương ứng: L2 = c / fL2 24cm

Đây là 2 sóng tần số vô tuyến phân cực tròn theo chiều tay phải có thể truyền

qua không khí qua khoảng cách lớn nhưng nó không có thông tin Tất cả các vệ tinh

quảng bá cùng tần số (mặc dù các tần số nhận được hơi khác nhau vì hiệu ứng dịchDoppler) và để đưa thông tin vào sóng mang chúng phải được điều chế theo nhiềucách Trong GPS có hai loại mã hoá phân biệt dùng để điều chế sóng mang băng L đặttên là mã khoảng cách và bản tin di chuyển Sóng mang L1 được thiết kế để điều chếvới 2 mã khoảng cách, 1 để dùng cho dân sự (mã C/A) và 1 dùng cho quân sự (mã P),trong khi đó sóng mang L2 chỉ được điều chế với mã quân sự Cả hai sóng mang đềuchứa bản tin di chuyển

2.1.2 Mã khoảng cách giả ngẫu nhiên PRN

Tạo mã:

Tín hiệu sóng mang là một chuỗi bit + 1 và -1 có chiều dài chip 293m với mã C/

A và 29.3m với mã P Chuỗi +1, -1 được thông dịch là các luồng nhị phân 0, 1 vàluồng nhị phân này được tạo ra từ các thanh ghi dịch tuyến tính

- Hàm nhị phân XOR: là kết hợp của 2 hàm logic "AND" và "OR" có bảng chân lý như

Bảng 2 1: Bảng chân lý hàm nhị phân XOR

- Thanh ghi dịch tuyến tính:

Bảng 2-2 minh hoạ hoạt động của thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái Trạngthái được xác định thông qua bộ 3 số nhị phân (A, B, C) và nó thay đổi sau một khoảngthời gian nhất định Ví dụ trạng thái khởi tạo thanh ghi thường toàn là 1 (1, 1, 1) Các

số trong ô trạng thái sẽ dịch dần sang phải thành (trống, 1, 1) Số (1) bị đẩy ra bên phải

và là trạng thái đầu ra của thanh ghi Phần trống được thay thế bằng phép XOR của 2trạng thái còn lại ở đây là XOR(1,1)=0 Như vậy trạng thái mới sẽ là (0,1,1) Quá trìnhđược lặp lại như trên bảng 2-2

Bảng 2 2: Thanh ghi dịch tuyến tính 3 trạng thái đầu ra là C

Chuỗi số ở đầu ra được viết thành (1,1,1,0 ) và được coi là tuần tự của thanhghi dịch tuyến tính Quá trình được lặp lại khi thực hiện hết số chu kỳ, thanh ghi dịchtạo ra tất cả các tổ hợp có thể các số nhị phân trừ trường hợp (0,0,0) Bởi vậy dễ dàngtính được chiều dài của chuỗi trước khi nó lặp lại Đối với thanh ghi 3 trạng thái sẽ có 8

tổ hợp có thể Chiều dài trong trường hợp N trạng thái là L(N)=2N-1 và N cũng chính làkích thước thanh ghi (số chữ nhị phân trong trạng thái)

ra mã vàng: (1) G1 (là đa thức: 1+X3+X10) và (2) G2 (đa thức: 1 + X2 + X3 + X6 + X8 +

X9 + X10)

Tổ hợp khác nhau của các đầu ra của thanh ghi của G2 modulo với đầu ra của

mã G1 cho kết quả các mã PRN và tạo ra 36 mã duy nhất Hình 2-3 chỉ ra 3 mã PRNđầu tiên: Nội dung thanh ghi ô PRN1 là 2 cộng với 6, PRN2 cộng nội dung thanh ghi 3

và 7, PRN3 cộng nội dung thanh ghi 4 và 8 và tiếp tục

Hình 2.2: Tạo mã PRN sử dụng hai thanh ghi mã vàng Gold Code.

Là thanh ghi dịch tuyến tính 10 trạng thái có chiều dài L(10)=1023 bit C/A tạo riêngcho mỗi vệ tinh, tốc độ dịch chuyển bit C/A là 1.023MHz Vì tần số đồng hồ là10.23MHz nên sẽ có 10 chu kỳ mã C/A, tốc độ dịch chuyển là 1023bit/1ms Chuỗi tuần

tự sẽ lặp 1000 lần/s Chiều dài chip là 293m Lặp cả tuần tự là 300km

mã PRN có thể dùng cho 24 vệ tinh danh nghĩa và các PRN còn lại dự phòng Tuần tựPRN sẽ được xác định lại "Tuần GPS" vào đêm ngày thứ bảy.

Hình 2.3: Ví dụ trật tự chip mã C/A và P.

MÃ P chống giả mạo được mã hoá qua phân chia modul mã bí mật – mã “W”

và gọi là mã Y, sau đó điều chế theo cách thông thường trên sóng mang L1 và L2

- Truyền nhận dữ liệu GPS:

Tín hiệu xuất phát từ vệ tinh là sự dao động các mức điện áp ở tần số cơ bản10.23MHz (nếu bật chế độ SA thì tín hiệu còn bị đảo lộn khó đoán được) Tín hiệu nàysau đó được phân chia thành 2 loại sóng mang: L1=f0x154=1557.42Hz vàL2=f0x120=1220.60Hz Tín hiệu được nhân với +1, -1 theo thuật toán tạo C/A (L1) và

mã P (trên cả L1 và L2) Các mã này là duy nhất đối với mỗi vệ tinh Cuối cùng bản tin

di chuyển được mã hoá trên tín hiệu Sau đó tín hiệu được khuếch đại và truyền đi vềhướng trái đất Các ăng ten phát tín hiệu và không gian dưới dạng sóng điện từ

Sóng điện từ đi qua không gian và tầng khí quyển bao quanh trái đất (xấp xỉ tốc

độ ánh sáng truyền trong chân không) rồi đến ăng ten bộ thu Sóng điện từ tạo ra tínhiệu âm ở ăng ten bộ thu ở dạng dao động điện áp Sau đó tín hiệu được tiền khuếchđại ở ăng ten khuếch đại cường độ tín hiệu tuy nhiên chưa đủ lớn để trội hơn nhiễu khi

đi tới đầu cuối của dây cáp Khi đến mạch điện tử của bộ thu tín hiệu được đo và rút ranhờ kỹ thuật tự tương quan.

2.1.3 Đặc tính và nội dung bản tin di chuyển

Các nội dung của bản tin di chuyển và cách thức “khối dữ liệu hoặc khung” được bố trítrong hình 2-4

Hình 2.4: Định dạng và nội dung bản tin GPS.

Bản tin di chuyển là luồng dữ liệu 50 bit/giây điều chế trên sóng mang tín hiệucủa mỗi vệ tinh, nó là bản tin đo đạc từ xa và dữ liệu truyền đi ở dạng các khung dữliệu Mỗi khung dữ liệu GPS dài 1500 bit tương ứng khoảng thời gian truyền là 30s.Mỗi khung có 5 khung phụ dài 300 bit Khung phụ 1, 2, 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh

chính xác cao và thông tin về dữ liệu lệch đồng hồ "Nội dung dữ liệu" của 3 khungnày là giống nhau cho mỗi vệ tinh cụ thể và được truyền đi liên tục theo các chu kỳkhông quá 2 giờ Khung phụ 1 chứa hệ số đa thức cấp 2 dùng để tính độ lệch đồng hồ

vệ tinh Khung phụ 1, 2, 3 chứa các thông số quỹ đạo Khung 4, 5 là các khung có nộidung khác nhau Các dữ liệu này lặp lại nhưng 25 khung phụ liên tiếp của 2 khung nàyphải được thu thập trước khi bộ thu có tất cả nội dung dữ liệu truyền bởi vệ tinh Các

vệ tinh truyền nội dung dữ liệu giống nhau trong khung phụ 4, 5 cho đến lần đẩy dữliệu lên tiếp theo (khoảng 24h) Khung phụ 4, 5 chứa dữ liệu niên giám, thông tin trạngthái và dữ liệu cấu hình Mỗi khung phụ chia thành 10 từ mỗi từ 30 bit (khoảng 0.6s), 6bit đầu của 10 bit là bit chẵn lẻ, 24 bit của 3 từ đầu mô tả phần nội dung dữ liệu ở trên

Từ 1, 2 có dạng giống nhau trên tất cả các khung Từ 1 là thông tin phép đo viễn trắc, 8

từ đầu của từ này là mẫu đồng bộ các bộ thu dùng để đồng bộ chính nó theo bản tin dichuyển và nhờ thế mới giải mã đúng nội dung dữ liệu Từ 2 chứa bộ đếm thu gọn Z là

bộ đếm khung phụ chỉ tăng Quá trình đẩy dữ liệu lên thực hiện 24h/lần cho mỗi vệtinh, trạm chính MCS gửi lên vệ tinh tất cả nội dung dữ liệu mà vệ tinh truyền sẽtruyền đi trong 24h cộng với dữ liệu cho 1 vài tuần tiếp theo để dự phòng khi khôngđẩy dữ liệu từ MCS lên được Một tệp đẩy dữ liệu lên chứa 16 khung phụ 1,2,3 khi vệtinh bắt đầu truyền tập dữ liệu mới gọi là điểm cắt chuyển, lần cắt chuyển đầu tiên xảy

ra ở một thời gian nào đó của giờ nhưng những điểm cắt tiếp theo thì thực hiện chínhxác đúng theo giờ Các khung phụ tiếp theo không truyền quá 2 giờ (1 vài lần chínhxác theo 1 giờ, một vài lần theo 2 giờ và một vài lần không quá 2 giờ) Khung phụ 1chứa độ lệch thời gian sử dụng được, khung phụ 2, 3 chứa lịch thiên văn ứng dụngđược Hai giá trị thời gian ứng dụng được này thường là giống nhau và đối với điểmcắt chuyển ở kỷ nguyên 1h, giá trị thời gian ứng dụng được chính xác sau 2 giờ thờigian khởi tạo truyền của tập dữ liệu khung phụ 1, 2, 3 Mỗi khung phụ trong 3 khungnày chứa giá trị chỉ mục cho phép bộ thu kiểm tra 3 khung phụ là phần của tập dữ liệugiống nhau Các bộ thu truy tìm bản tin di chuyển liên tục tìm nội dung dữ liệu trong

khung phụ 1,2,3 Nếu phát hiện sự thay đổi thì nó dùng giá trị mới và dùng để định vị.Khung phụ 1,2,3 được thiết kế để mô tả đồng hồ và quỹ đạo cho chu kỳ 4 giờ với thờigian ứng dụng gần tâm chu kỳ.

f

hoặc ( )T ( )T  f0( )T (2.2.1-2)

trong đó: (T) để biểu diễn pha vệ tinh GPS thực, (T) là dao động ở bộ thu ở thời gian

T Tuy nhiên việc sử dụng công thức (2.2.1-1) hoặc (2.2.1-2) đều dùng các thành phầntích phân và vi phân là pha quan sát

2.2.1.2 Thời gian truyền tín hiệu

Xét việc truyền tín hiệu từ vệ tinh i tới bộ thu j Thời gian nhận được của tín

hiệu ở bộ thu j là Tj Thời gian truyền từ vệ tinh i là Tji Thời gian truyền tín hiệu từ i

đến j là ji(Tj) và được định nghĩa:

j(Tj) = Tj – Tj (2.2.1-3)

2.2.1.3 Biểu diễn pha của tín hiệu

Pha của tín hiệu nhận tại thời điểm nhận Tj bằng pha tín hiệu truyền ở thời điểmtruyền Tji Bởi vậy:

bji(Tj) = loj(Tj) – rji(Tj)= loj(Tj) – ti(Tj) (2.2.1-4)

trong đó :

bji(Tj) là pha nhịp sóng mang đối với bộ thu j, vệ tinh i, ở thời điểm nhận

Tj,

rji(Tj) là pha tín hiệu nhận được từ vệ tinh i ở bộ thu j ở thời điểm Tj,

loj(Tj) là pha bộ dao động cục bộ của bộ thu j ở thời điểm Tj, và

ti(Tji) là pha tín hiệu truyền từ vệ tinh i ở thời điểm truyền Tji

Kết hợp công thức (2.2.1-2) và (2.2.1-4) biểu thị mối liên hệ giữa pha truyền và lỗi phađồng hồ ở thời điểm nhận như sau:

trong đó sci(T) là thuộc tính lỗi pha đồng hồ vệ tinh GPS i

Công thức về nhịp pha sóng mang:

trong đó là bước sóng mang ( = c / f0 ) Mối quan hệ giữa khoảng cách và lỗi đồng

hồ (đồng hồ bộ thu và vệ tinh) được minh hoạ trong hình 2.5 dưới đây (lưu ý: Ký hiệu

sử dụng là: dT = rcj, dt = sci, và p = bji)

Hình 2.5: Khoảng cách hình học và lỗi đồng hồ

2.2.1.4 Đo nhịp pha sóng mang

Ba điểm lưu ý khi thực hiện phép đo nhịp pha sóng mang từ mô hình trên:

- Nhiễu ngẫu nhiên (giao thoa tín hiệu, đa đường)và đặc trưng bởi đại lượng nhieu

- Sai chu kỳ nji là số nguyên chưa biết do sự khác biệt giữa nhịp pha sóng mang đođược và nhịp pha theo mô hình Giá trị này là duy nhất với một cặp vệ tinh - bộ thu Có

thể coi là hằng số để bộ thu tiếp tục truy tìm và đếm số chu kỳ nguyên trong thời giantín hiệu vệ tinh được thu đầu tiên (Hình 2-6) Ở bất cứ kỷ nguyên nào khác với kỷnguyên khởi tạo cho phép đo, dụng cụ đo pha vi phân fji(Tj) và thực hiện đọc CR(Tj)trên bộ đếm Nó kết hợp pha phân số và pha số nguyên quan sát và tham chiếu đếnnhịp pha sóng mang kết hợp và nj là sai chu kỳ.

- Nếu bộ thu bị lỗi không truy tìm được tín hiệu và sau một số chu kỳ thì tiếp tục trở lại gọi là hiện tượng trượt chu kỳ S(Tj).

Hình 2.6: Đo nhịp pha sóng mang kết hợp.

Phương trình đo nhịp pha sóng mang kèm theo 3 khái niệm thêm:

Sự thay đổi trong nhịp pha sóng mang theo thời gian tỷ lệ với sự thay đổi sau:

 Khoảng cách địa lý đo vệ tinh - bộ thu,

 Sự khác nhau lỗi pha đồng hồ vệ tinh - bộ thu,

2.2.1.5 Mô hình toán học cho nhịp pha sóng mang tích hợp

Mô hình toán học được sử dụng trong trường hợp mô hình quan sát vật lý có đưa tham

số để điều chỉnh có dạng như sau:

2.2.1.6 Kỹ thuật tự tương quan

Các bộ thu tự tạo tín hiệu tương tự như tín hiệu GPS từ vệ tinh ở bất cứ thờigian nào và đó là bản sao của tín hiệu GPS đồng bộ với đồng hồ bộ thu Bản sao tínhiệu phải trễ đi để khớp với các tín hiệu đi đến khi bộ thu thực hiện so sánh Độ trễ thờigian này chính là khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh và việc tính toán chênh lệch thờigian chính là sự tự tương quan Bit đầu tiên của tín hiệu thứ nhất nhân với bit đầu tiêncủa tín hiệu thứ hai và cứ thực hiện như vậy với các bit tiếp theo Sau đó tính tổng cácbit kết quả rồi chia cho tổng số các số của tín hiệu Ví dụ:

A (1,-1,-1,1,-1) x B(1,1,-1,-1,1)=(1,-1,1,-1,-1) Tổng =-1 Chia cho 5 kq=-1/5=-0.2.Nếu 2 tín hiệu giống nhau thì kq sẽ gần bằng 1 và càng ngẫu nhiên khác nhau sẽ gầntới 0 Chính vì vậy tín hiệu GPS được xem là ngẫu nhiên Càng so sánh tín hiệu cónhiều bit thì càng chính xác

Mã vàng để tạo mã C/A có thuộc tính tự tương quan là hằng số

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng

2.2.2.1 Khái niệm lỗi và độ lệch phép đo

Tất cả các phép đo GPS pha sóng mang và giả khoảng cách GPS đều bị ảnhhưởng bởi một loạt lỗi và độ lệch (xem hình 2-7) Để đánh giá được tác động độ lệch

và lỗi phép đo thì phải dựa vào chất lượng dữ liệu thu thập (độ chính xác định và độ tincậy thu được)

Hình 2.7: Độ lệch và lỗi GPS.

- "Nhiễu" phép đo khoảng cách:

 "Bước sóng" mã C/A là xấp xỉ 300m, sai số hay nhiễu phép đo khoảng cách là3m

 "Bước sóng" mã P xấp xỉ 30m, do đó sai số là 0.3m

- “Nhiễu” phép đo pha sóng mang:

 Bước sóng sóng mang L1 xấp xỉ 0.19m, sai số phép đo cỡ mm

 Bước sóng sóng mang L2 xấp xỉ 0.24m, sai số phép đo cỡ mm

- Các nguồn gây ra độ lệch phép đo:

 Khúc xạ trong khí quyển

 Lỗi đồng hồ

 Ảnh hưởng của hiện trường và dụng cụ

 Ảnh hưởng của tính có sẵn có lựa chọn S/A

 Sự không rõ ràng hay sự sai pha

2.2.2.2 Sự không đúng của đồng hồ vệ tinh

Đáp ứng của mỗi đồng hồ vệ tinh được giám sát theo GPST (GPST được tạo ra

từ đồng hồ nguyên tử tại MCS) Các giá trị này có sẵn với tất cả bộ thu GPS thông qua

hệ số lỗi đồng hồ trong bản tin di chuyển

Độ lớn: Lỗi đồng hồ và lỗi khoảng cách tương ứng: 1ns  0.3m, 1ms  300m

Cách xử lý: (a) Quan trắc kiểu khoảng cách và so sánh các bộ thu.

(b) Mô hình lỗi để "xử lý đại lượng ngẫu nhiên" ước tính tham số

Chiến lược: Yêu cầu hai hay nhiều bộ thu GPS truy tìm cùng vệ tinh đồng thời.

2.2.2.3 Độ lệch lịch thiên văn vệ tinh

Độ lệch lịch thiên văn vệ tinh là độ không nhất quán giữa toạ độ đúng (hoặc tốcđộ) của vệ tinh và giá trị đã biết của nó Sự khác nhau này được tham số hoá theo nhiềucách nhưng thông thường là qua 3 thành phần quỹ đạo: đường dọc, đường ngang vàbán kính (hình 2-8) Trường hợp là thành phần đường dọc thì lỗi lớn nhất

Hình 2.8: Độ lệch lịch thiên văn vệ tinh.

 Ảnh hưởng tới định vị tuyệt đối: Lỗi vị trí = PDOP Lỗi quỹ đạo

 Ảnh hưởng tới định vị tương đối: Lỗi đường chuẩn = Lỗi quỹ đạo

d= chiều dài đường chuẩn tính theo km.

- Độ lớn:

Lỗi quỹ đạo là lỗi thường trú xuất hiện từ việc mất mô hình quỹ đạo vệ tinhhoặc chấp nhận các giá trị từ “lịch vệ tinh chuẩn” đã có sẵn lỗi bên trong bản tin dichuyển GPS thông thường từ dưới 10m đến 100m.

- Cách xử lý: (a) Dùng lịch thiên văn vệ tinh quảng bá coi dữ liệu quỹ đạo là đúng và

bỏ qua độ lệch thiên văn vệ tinh

(b) Dùng lịch thiên văn có độ chính xác cao hơn - IGS

(c) Đưa vào các tham số phụ để điều chỉnh quỹ đạo

(d) So sánh giữa các vị trí giảm thiểu ảnh hưởng lỗi quỹ đạo

(e) Kéo dài phiên quan sát

(f) Rút ngắn chiều dài đường chuẩn biểu diễn qua đơn vị cm

2.2.2.4 Tính sẵn có có lựa chọn SA

Chính sách SA để phân cấp ứng dụng quân sự và dân sự Phân cấp SA định vịtheo phương ngang tới 100m (mức tin cậy 95%) và xác định độ cao tới 150-170m(mức tin cậy 95%) cho người dùng SPS SA áp dụng từ 25/3/1990 và bao gồm:

 Thành phần "epsilon" ( ) là phần rút gọn thông tin quỹ đạo truyền đi trong bảntin NM do đó toạ độ vệ tinh theo hệ WGS84 không thể tính chính xác

 Thành phần "delta" ( ) là sự ảnh hưởng lỗi do tần số cơ bản của đồng hồ vệ tinhtác động trực tiếp giống nhau trên cả hai phép đo giả khoảng cách, pha sóngmang và sai số tương ứng có biên độ tới 50m với những chu kỳ cỡ vài phút

2.2.2.5 Sự không đúng đồng hồ bộ thu

Các bộ thu GPS dùng bộ dao động thạch anh có ưu điểm nhỏ gọn, tiêu thụnguồn ít và giá rẻ Chúng có sự ổn định tần số ngắn tốt, tuy nhiên đều phải gắn kết vớiGPST Nhìn chung thời gian gốc của bộ thu được xác định tự động ngay khi nó truytìm đủ số vệ tinh để thực hiện phép đo khoảng cách và sau đó tỷ lệ thời gian được xácđịnh bằng đồng hồ bộ thu đã sửa theo chuẩn GPST vì:

 Sự đồng bộ ở một vài kỷ nguyên nhạy với lỗi, ở mức 0.1 micro giây nếu dùng

SA và ở mức 0.01 micro giây khi không dùng SA

 Sự ổn định tỷ lệ thời gian phụ thuộc chất lượng bộ dao động bộ thu và mức độthường xuyên đồng bộ thời gian đồng hồ hiện tại với GPST qua quan trắc giảkhoảng cách "Độ trôi và đặt lại đồng hồ" minh hoạ như hình 2-9:

Hình 2.9: Độ trôi đồng hồ

Cách xử lý: (a) Thực hiện phép so sánh giữa các vệ tinh.

(b) Đưa thêm tham số để mô hình như quá trình ngẫu nhiên

2.2.2.6 Độ lệch trạm tham chiếu

Định vị GPS tương đối (DGPS) yêu cầu phải có một trạm thu được cố địnhtrong khi xử lý dữ liệu Các trạm này là cơ sở hoặc là các bộ thu tham chiếu Xác địnhtoạ độ tương đối là liên hệ từ bộ thu tới trạm cơ sở Các lỗi do toạ độ trạm tham chiếu

sẽ gây ra độ lệch trong phép đo giống như ảnh hưởng độ lệch quỹ đạo vệ tinh và thực

tế cho thấy sự không chính xác của trạm tham chiếu là 20m thì tương ứng độ chính xácđịnh vị tương đối là 1ppm

Cách xử lý: (a) Điều chỉnh toạ độ tất cả các trạm tham chiếu (b) Lấy trung bình

nghiệm định vị giả khoảng cách ở trạm tham chiếu kể cả có điều kiện SA (c) Chuyểnđổi hệ toạ độ cục bộ sang WGS84 dùng các tham số chuyển đổi phổ cập đảm bảo độ chính xác trong ứng dụng khảo sát GPS là 1ppm

2.2.2.7 Trễ tầng điện ly

Tầng điện ly là các lớp khí quyển trải từ 50 đến 100 km trên bề mặt trái đất Do

in on hoá các phân tử khí làm xuất hiện các điện tử tự do và chúng ảnh hưởng tới tínhiệu (tốc độ, hướng và phân cực) khi đi qua các tầng này Chỉ mục khúc xạ sóng điện

từ là hàm của tần số và mật độ của các điện tử tự do được biểu diễn như sau:

0 2

Trong đó: A là hằng số, Ne là mật độ điện tử (el/m3) và f là tần số

Tốc độ dao động v liên quan chỉ mục khúc xạ theo công thức:

c

v

n

Độ trễ nhóm tầng điện ly và độ trễ pha tầng điện ly ion đối với dao động sóng ngắn từ

vệ tinh tới trái đất là:

40.28 40.28





Trong đó L là chiều dài đường chuẩn, và L là lỗi

- Cách xử lý: (a) Bỏ qua độ lệch này (b) Quan trắc vào buổi đêm (c) Dùng mô hình

tiên đoán tầng điện ly với độ chính xác <50% (d) Dùng bộ thu song tần tổ hợp dữ liệuL1/L2 không bị ảnh hưởng tầng điện ly:

d trop = d dry + d wet (2.2.2-8b)

Khoảng 90% biên độ độ trễ tầng điện ly xuất hiện từ các thành phần khô và 10% còn

Trong đó p là áp suất khí quyển tính theo millibars (mb), e là áp suất hơi nước theo millibars và T là nhiệt độ Kelvin Các hệ số này xác định theo thực nghiệm Theo các công thức của Hopfield hoặc theo mô hình của Saastamoinen:

Độ lớn: Giá trị cực đại ở mặt biển  2.3m, Phía chân trời ở mặt biển  20 - 30m Tuỳ chọn xử lý: (a) Bỏ qua độ lệch tránh truy tìm các vệ tinh có góc ngẩng thấp không

dưới 200 (b) Dùng mô hình khúc xạ tầng điện ly chuẩn để sửa đúng dữ liệu (mô hìnhHopfield, Saastamoimen ) (c) Tính các tham số thêm vào như ảnh hưởng tầng đốilưu thường trú dùng cho ứng dụng chính xác cao (d) Với các đường chuẩn ngắn vàtrung bình dùng kỹ thuật tương quan cao giảm thiểu lỗi thông qua so sánh dữ liệu (e)

Đo thành phần ẩm trực tiếp từ máy đo áp suất hơi nước thường ít dùng vì chi phí đắt

2.2.2.9 Trượt chu kỳ pha sóng mang

Trong quá trình nhận tín hiệu có thể bị ngắt quãng do:(a) che khuất, gia tốc ăngten lớn khi di chuyển.(b) Nhiễu do ảnh hưởng tầng điện ly và giao thoa đa đường.(c)

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm thấp

Sau khi ngắt quãng lại tiếp tục nhận tín hiệu thì xuất hiện một giá trị không rõ ràng nji:

Hình 2.10: Các thành phần phép đo pha sóng mang tích hợp

Khi thu lại tín hiệu thì đại lượng này được gán giá trị mới: i i ( )

S(Te) chính là đại lượng trượt chu kỳ và lưu ý khi tính:

Việc phát hiện trượt chu kỳ dễ hơn là sửa đúng Việc sửa đúng là phải xác định chính xác số trượt chu kỳ ở kỷ nguyên Te

2.2.2.10 Giao thoa tín hiếu và nhiễu loạn đa đường

Đa đường là hiện tượng gây ra bởi khúc xạ từ các vật rắn kim loại gần đó, bềmặt đất hoặc nước đến ăng ten Nó gây giao thoa tín hiệu giữa tín hiệu đi tới và phản

xạ (xem hình dưới) dẫn đến nhiễu phép đo hoặc làm cho mạch điện tử không hiểu

Hình 2.11: Ảnh hưởng đa đường.

Biên độ ảnh hưởng đa đường lên quan trắc pha có thể được ước tính từ quan hệtoán học sau:

.sintan

Trong đó: m - Độ dịch pha sóng mang tín hiệu nhận được ở ăng ten do đa đường,

Là độ dịch pha tín hiệu bị phản xạ so với tín hiệu đi thẳng, yếu tố tắt dần biến đổi từ

0 (không phản xạ) tới 1 (tín hiệu phản xạ nhưng mạnh như tín hiệu đi thẳng)

Cách xử lý: (a) Lựa chọn đúng vị trí và loại ăng ten (b) Dùng bộ lọc số bên trong bộ

thu (c) Không quan trắc vệ tinh có góc ngẩng thấp (d) Kéo dài phiên quan sát hoặc lấykết quả tính toán trung bình qua một chu kỳ thời gian dài sẽ giảm lỗi đa đường

Tắc nghẽn và giao thoa tín hiệu:

Sự nhiễu loạn tín hiệu đi tới là hàm của tần số tín hiệu nhiễu loạn (gần giống vớisóng mang GPS), khoảng cách từ bộ phát tắc nghẽn và nguồn của nó Trong nội dungkhảo sát, sự nhiễu loạn tín hiệu như thế giống với sự biểu hiện tự chúng nhiễu hơn cácquan trắc bình thường hoặc trong trường hợp mất khoá trên tín hiệu

5.2.11 Độ lệch tâm pha ăng ten

Lý tưởng nhất là tâm phần vật lý phải trùng với tâm phần điện hoặc có độ lệch

cố định bằng hằng số Đây là các lỗi do nhà sản xuất ăng ten nhưng nếu ăng ten luônhướng về cùng hướng thì tác động giải pháp hướng điểm điểm trên mặt đất sẽ được rútngắn một cách có hệ thống Sự biến thiên hình học vệ tinh - bộ thu cũng gây ra toạ độtâm điện cũng biến đổi Với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao thì phải dùng ăngten kết hợp hoặc tráo đổi ăng ten giữa các vị trí và bộ thu trong khi khảo sát

2.2.3 Quan trắc giả khoảng cách

2.2.3.1 Phương trình quan trắc giả khoảng cách

Mô hình đơn giản

Theo định lý Pitago ta có khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh:

( , ) ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ( ( ) ( ))

Bản tin di chuyển cho phép chúng ta tính toạ độ vệ tinh (xS,yS,zS) và độ lệch đồng hồ

S Như vậy trong phương trình trên có 4 đại lượng chưa biết x, y, z và thời gian t.Bắt đầu ở thời điểm thu t thời gian truyền được tính qua thuật toán lặp gọi là phươngtrình thời gian ánh sáng như sau:

(0) ( )

( , (0))(1)

( , (1))(2)

trong đó toạ độ vệ tinh pS(t,tS) được tính theo từng bước dùng thành phần Kepler từ bảntin di chuyển và thuật toán sẽ dừng khi khoảng cách tính toán hội tụ

Hệ thống chúng ta gồm có 4 phương trình khoảng cách tới 4 vệ tinh như sau:

1 1 1 1

1 2

Viết tổng quát theo dạng ma trận: b=Ax+v (2.2.3-8)

Ma trận v là các đại lượng nhiễu chưa biết, hệ phương trình trên gọi là "các phương trình quan trắc tuyến tính"

Ma trận thiết kế

Các hệ số của ma trận thiết kế A là đạo hàm từng phần theo từng biến của mỗiphương trình quan trắc và tính theo các giá trị ban đầu đã biết Ma trận A có số cộtchính là số các tham số và được biểu diễn như sau:

Phương pháp bình phương tối thiểu

Dùng phương trình quan trắc tuyến tính ta biểu diễn thường trú ước tính như sau:

ˆ Ax ˆ

v b  (2.2.3-10)Nghiệm của phương pháp bình phương tối thiểu là đi tìm giá trị biến x sao cho tối thiểuhàm tổng bình phương:

2 1

( ) m T ( Ax) (T Ax)

i i

Các ma trận đồng hệ số và hiệp phương sai

Trong trường hợp xảy ra lỗi v sẽ được ánh xạ thành véc tơ lỗi vx khi dùng giá trịước tính ˆx Rõ ràng ánh xạ này có cùng dạng tuyến tính như công thức trên:

1

( T ) T x

cả các quan trắc là không tương quan E(vivj)=0 (với ij) Ma trận hiệp phương sai sẽ

là đường chéo ma trận C 2I trong đó I là ma trận đơn vị mxm:

2 2

Dưới giả thiết như vậy hiệp phương sai kỳ vọng trong các tham số cho nghiệm bìnhphương tối thiểu có thể viết dưới dạng đơn giản sau:

tỷ lệ với sự biến đổi của các lỗi quan trắc đầu vào

Thông dịch ma trận hiệp phương sai

Ma trận hiệp phương sai cho các tham số ước tính có thể viết theo các thànhphần của nó:

  1

2 2 2 2

2 2

T x

Thuận lợi hơn khi xét trong hệ toạ độ đo cục bộ dẫn đến cần phải chuyển đổi toạ

độ tâm cầu (u,v,w) sang toạ độ cục bộ (n,e,h) Để làm điều này ta phải chuyển ma trận