hệ thống định vị toan cầu GPS

 Với phần mềm của hệ thống GPS, tín hiệu thu được có thể tính được:  Tọa độ không gian tuyệt đối chính xác có thể tới 1 m  Số gia tọa độ không gian độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm... 

HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ

TOÀN CẦU GPS

Giảng viên: PSG.TS Nguyễn Đình Việt

Học viên: Nguyễn Đức Việt

Nguyễn Quốc Thắng Trần Quốc Việt

NGUYỄN QUỐC THẮNG

 Với phần mềm của hệ thống GPS, tín hiệu thu được có thể tính được:

 Tọa độ không gian tuyệt đối (chính xác có thể tới 1 m)

 Số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm)

PHẦN CỨNG HỆ THỐNG GPS

NAVSTAR GPS SYSTEM

5 VTV

PHẦN ĐIỀU KHIỂN

Gồm 8 trạm mặt đất trong đó

 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii;

 Một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station)

 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station)

 Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh

 Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh

PHẦN KHÔNG GIAN

a Chòm vệ tinh GPS:

 Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng

nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt

phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o.

 Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và

mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh

 Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể

dùng thay cho mã P trong quân sự

7 VTV

PHẦN SỬ DỤNG

Gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền phân làm 2 loại:

 Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 dùng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km

 Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất

Những bộ phận chính của máy thu GPS gồm:

 Ăngten và bộ tiền khuếch đại

TRẦN QUỐC VIỆT

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 Tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách“

 Kỹ thuật này có thể xác định tọa độ với

độ chính xác 10 m Nếu kết quả trên

được gửi tới trạm điều khiển trung tâm,

sẽ có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với

độ chính xác 1 m

 Nếu trạm tĩnh có bộ phận phát radio để phát thông tin (gồm vị trí trạm tĩnh

và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm này giải ra ngay tọa

độ của mình thì gọi là kiểu định vị động thời gian thực (real-time kinematic – RTK)

ĐỊNH VỊ NHIỀU MÁY THU

 Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị

 Các thông tin thu được từ nhiều máy thu dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống

13 VTV

ĐỊNH VỊ ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI

 Dùng khi xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao

 Ý tưởng chính là dùng một ăngten tĩnh làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập

 Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh và sự thời gian của đồng hồ

 Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực

NGUYỄN ĐỨC VIỆT

SAI SỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

SAI SỐ & CÁCH KHẮC PHỤC

 Sai số do đồng hồ

 Sai số do quĩ đạo vệ tinh

 Sai số do môi trường truyền

 Sai số do nhiễu tín hiệu

 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới

 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS

SAI SỐ ĐỒNG HỒ

 Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không

đồng bộ của chúng

 Khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:

 Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và sẽ phát tín

hiệu hiệu chỉnh cho máy thu GPS nếu phát hiện có sai

 Để giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử

dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát

 Ngoài ra có thể cải tiến dùng các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả

năng ổn định hơn trong giai đoạn đồng bộ với đồng hồ vệ tinh

17 VTV

 Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo chịu nhiều tác động nhiễu như:

 Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của

mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác,

 Sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,

 Khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:

 Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể có được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp

 Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt được tới 1 m

SAI SỐ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

SAI SỐ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN

 Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Vì thế người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số

 Ảnh hưởng của tầng đối lưu gồm các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm,

có thể được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát

 Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời

 Ngoài ra có 2 nguồn gây ra sai số là các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây

ra như các đài truyền hình và sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna

 Để khắc phục người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm

19 VTV

SAI SỐ DO NHIỄU TÍN HIỆU

 Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh

 Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%

 Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C/A thì sai số này sẽ là 50 m

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MỚI

 Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo để loại trừ sai số:

 Hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh

 Hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh

 Hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất

 Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị

đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên

21 VTV

NÂNG CAO CÔNG NGHỆ GPS

 Trong phương pháp đo tĩnh đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với

độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây để áp dụng cho nhiêù mục tiêu khác nhau như:

 RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ chính xác tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn

 RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm động đạt được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình

 MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ chính xác cỡ 1 m

CÁC ỨNG DỤNG GPS

 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất, hàng không, trên biển

 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất, hải dương học trên biển

 Ứng dụng trong giao thông hàng không

 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian

 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí

 Các ứng dụng trong quân đội

23 VTV