ĐỒ ÁN MÔN CÔNG NGHỆ VỆ TINH HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS & ỨNG DỤNG

Cụ thể, báo cáo sẽ đi tổng quan về cơ sở lýthuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguyên lý và phương pháp định vị tọa độcủa một điểm trên trái đất, các thông tin về

Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin

BÁO CÁO ĐỀ TÀI CÔNG NGHỆ VỆ TINH

Trích yếu Mục tiêu và đối tượng tìm hiểu của báo cáo

Báo cáo tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứngdụng thực tiễn của nó Trong đó, việc tìm hiểu các ứng dụng thực tiễn ở thế giới và cũngnhư ở Việt Nam được quan tâm xem xét Cụ thể, báo cáo sẽ đi tổng quan về cơ sở lýthuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguyên lý và phương pháp định vị tọa độcủa một điểm trên trái đất, các thông tin về sai số và khảo sát độ chính xác của hệ thốngGPS Từ đó báo cáo sẽ tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống GPS và khả năng áp dụngchúng vào thực tế

Phương pháp nghiên cứu và tìm kiếm thông tin

Trong báo cáo, chúng em sử dụng các kiến thức đã được học ở môn “Công nghệ vệ tinh”

và môn “Công nghệ mạng viễn thông” được dạy ở trường Đại học Công nghệ Thông tin.Các kiến thức được sử dụng bao gồm các bài nghiên cứu về vệ tinh và viễn thông Chúng

em sử dụng search google.com để tìm kiếm các tài liệu liên quan, tìm hiểu các báo cáo về

hệ thống GPS của các trường đại học, học viện ở Việt Nam cũng như trên thế giới đểtổng hợp thành một bài báo cáo hoàn chỉnh

Các kết quả thu được

- Đưa ra được các khái niệm cơ bản của hệ thống định vị GPS, nêu lên được các hệthống định vị “công cộng” trên thế giới

- Tìm hiểu được cấu hình của hệ thống định vị GPS, cũng như các nguyên lý, cácphương pháp để định vị tọa độ của một điểm bất kỳ trên trái đất

- Tìm hiểu được các nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình định vị và đưa ra cácmức của độ chính xác khi định vị bằng GPS

- Dựa vào độ chính xác khi định vị, tìm hiểu các ứng dụng của hệ thống GPS và khảnăng ứng dụng chúng vào thực tế

Mục lục

Trích yếu i

Mục lục ii

Lời cảm ơn iv

Danh mục v

1 Lời nói đầu 1

2 Cơ sở lý thuyết 2

2.1 Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS 2

2.2 Cấu hình của hệ thống định vị GPS 2

2.2.1 Phân đoạn không gian 3

2.2.2 Phân đoạn điều khiển 5

2.2.3 Phân đoạn sử dụng 7

2.3 Nguyên lý xác định vị trí của GPS 8

2.4 Phương pháp định vị trí của GPS 12

2.4.1 Định vị tuyệt đối 12

2.4.2 Định vị tương đối 13

2.4.3 Định vị sai phân 13

2.5 Sai số trong định vị GPS 14

2.5.1 Sai số đồng hồ 14

2.5.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh 15

2.5.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 15

2.5.4 Sai số do nhiễu tín hiệu 16

2.6 So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS 17

3 Ứng dụng thực tiễn 20

3.1 Xử lý thời gian thực và xử lý sau 20

3.2 Độ chính xác và thiết bị 21

3.3 Phạm vi ứng dụng 22

3.4 Ứng dụng GPS vào thực tiễn 24

3.4.1 Các ứng dụng trên phương tiện đường bộ 24

3.4.2 Các ứng dụng trên tàu thuyền 25

3.4.3 Các ứng dụng trên máy bay 27

3.4.4 Ứng dụng GPS trong lĩnh vực giáo dục 32

3.4.5 Ứng dụng GPS trong thu thập GIS di động 33

3.4.6 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 34

3.4.7 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất 35

3.4.8 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 39

3.4.9 Ứng dụng GPS trong lĩnh vực quân sự 40

4 Kết luận 42

Tài liệu tham khảo 43

Lời cảm ơn

Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS Trần Bá Nhiệm đãtận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình nghiên cứu đề tài này

Chúng em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến những thầy cô giáo đã giảng dạy chúng emtrong bốn năm qua, những kiến thức mà chúng em nhận được trên giảng đường đại học sẽ

là hành trang giúp chúng em vững bước trong tương lai

Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè đã góp ý để bài báocáo hoàn thiện hơn

TP Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2012

Nhóm viết báo cáo

Danh mục Danh mục hình ảnh

Hình 2.1 Cấu hình của hệ thống định vị GPS 3

Hình 2.2 Phân đoạn không gian 4

Hình 2.3 Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS 5

Hình 2.4 Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất 6

Hình 2.5 Các hình thức sử dụng GPS 7

Hình 2.6 Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS 8

Hình 2.7 Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh 9

Hình 2.8 Mô phỏng cách thức điều chỉnh thời gian của đồng hồ tại máy thu 11

Hình 3.1 Các ứng dụng định vị động theo cấp độ chính xác của GPS 23

Hình 3.2 Các ứng dụng với độ chính xác thấp 25

Hình 3.3 Ứng dụng đo độ sâu đáy đại dương 29

Hình 3.4 Xác định bề mặt nước biển bằng kỹ thuật tích hợp GPS-LADS 30

Hình 3.5 Lập mô hình mặt cắt địa hình bằng kỹ thuật Laser-GPS 32

Hình 3 6 Mô hình giải thuật của hệ thống US 7260472B2 36

Hình 3.7 Hình ảnh thể hiện tình trạng giao thông ở Philadelphia 37

Hình 3.8 Tên lửa hành trình 40

Hình 3.9 Máy bay huấn luyện 41

Hình 3.10 Bom thông minh 41

Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS 17

Bảng 3.1 Độ chính xác của các phương pháp đo 22 Bảng 3.2 Yêu cầu độ chính xác của các ứng dụng 26 Bảng 3.3 Yêu cầu độ chính xác trong ứng dụng hành không 28

Danh mục từ viết tắt

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã

G

GPS Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

do bộ quốc phòng Hoa Kỳ thành lập

của liên minh khối EU

của Liên Bang Nga

GNSS Global Navigation Satellite System

Là tên dùng chung cho các

hệ thống định vị toàn cầu sửdụng vệ tinh như GPS (HoaKỳ), Hệ thống định vịGalileo (Liên minh châuÂu) và GLONASS (Liênbang Nga)

GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý

S

SPS Standard Positioning Service

Dịch vụ tiêu chuẩn, chỉ cung cấp cho quân đội Hoa Kỳ

Định luật

Kepler III:

Bình phương chu kỳchuyển động của một hànhtinh thì tỷ lệ với lập phươngbán trục lớn của quỹ đạoelip của hành tinh đó

( T2/a3 = const )

1 Lời nói đầu

Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầungày càng cao của con người Trong đó, công nghệ định vị vị trí vật thể ở ngoài trời ởbất cứ vị trí nào trên trái đất được quan tâm phát triển Hiện nay, có rất nhiều tổchức, quốc gia phát triển hệ thống định vị toàn cầu Trong số các hệ thống định vị toàncầu đó thì hệ thống định vị GPS là được sử dụng phổ biến hơn cả Hệ thống GPS đượcsử dụng cả trong lĩnh vực quân sự (dành riêng cho quân đội Mỹ) hay dân sự (toàn thếgiới, được chính phủ Mỹ cho phép từ những năm 1980 mà không tính phí) Chính nhờđiều này, GPS đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để phục vụ con người: quản lý vàđiều hành xe, chỉ đường, khảo sát trắc địa, môi trường, bản đồ hàng không Ở Việt Nam

do nhiều nguyên nhân và điều kiện khác nhau GPS vẫn chưa được sử dụng một cáchrộng rãi cũng như chưa tận dụng được hết khả năng của GPS, đặc biệt đối với ngườidùng đầu cuối

Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng em xin mạn phép nghiên cứu về hệ thống định

vị GPS và các ứng dụng thực tiễn của nó Mục tiêu của nghiên cứu không nhằm đi sâuvề cơ sở lý thuyết cũng như cách vận hành của hệ thống định vị mà chỉ đưa ra các nhìntổng quan về hệ thống, cách thức hoạt động và sau đó đi tìm các ứng dụng thực tế đãđược áp dụng từ hệ thống này Cấu trúc của báo cáo được chia thành các phần chínhnhư sau:

1 Lời nói đầu – Giới thiệu về đề tài và các mục tiêu cần đạt được khi nghiên

cứu

2 Cơ sở lý thuyết – Giới thiệu tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu nói chung

và hệ thống định vị GPS, đưa ra các khái niệm và cách thức hoạt động cũngnhư vận hành của hệ thống GPS

3 Ứng dụng thực tiễn – Nêu ra các ứng dụng của hệ thống định vị GPS.

4 Kết luận – Rút ra những kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu đề tài.

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái quát về GPS và hệ thống định vị GPS

Hệ thống định vị toàn cầu được viết tắt theo tiếng Anh là GPS (Global Positioning

System) Hiện thời có hai hệ thống GPS “công cộng” Hệ thống NAVSTAR là một hệ

thống do Mỹ sở hữu và được Bộ Quốc phòng Mỹ (DoP: Department of Defense) giámsát Hệ thống GLONASS là hệ thống thuộc quyền sở hữu của Nga Mặc dù cả hai hệthống NAVSTAR và GLONASS đều là những hệ thống định vị toàn cầu nhưngNAVSTAR thường được đề cập với tên gọi là GPS vì hệ thống này tồn tại trước Nộidung đề tài này chỉ tập trung đề cập đến hệ thống NAVSTAR GPS

Hệ thống NAVSTAR được quản lý bởi Văn phòng chương trình NAVSTAR GPS(NAVSTAR GPS Joint Program Office) đặt tại căn cứ không quân Los Angeles.Điểm liên lạc lấy thông tin về NAVSTAR cho phía dân sự là Trung tâm Dẫn đườngHàng hải (NAVCEN) thuộc bộ phận Giám sát Hải phận Mỹ (U S Coast Guard).NAVCEN cung cấp thông tin về trạng thái hệ thống trong các trang tài liệu NANU.Máy thu dân dụng có thể nhận các sản phẩm từ hệ thống NAVSTAR thông qua ỦyBan Giao tiếp dịch vụ GPS dân dụng (CGSIC)

Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thờigian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết Hệthống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét và có thể giảmxuống chỉ còn vài centimet Tất nhiên, độ chính xác càng cao thì máy thu GPS càngphức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo

2.2 Cấu hình của hệ thống định vị GPS

Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn là phân đoạn không gian (space segment), phân đoạn điều khiển (control segment), phân đoạn người dùng (user segment)

Hình 2.1 Cấu hình của hệ thống định vị GPS

2.2.1 Phân đoạn không gian

GPS là một hệ thống gồm 24 vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo chung quanhTrái Đất Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng Mặt Trời, chuyểnđộng cách mặt đất khoảng 20.183km và có chu kỳ quay quanh trái đất là 11 giờ57’58” Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong ngày theo một quỹđạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống Trái Đất Các máy thu GPSnhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí củangười dùng Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ

vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPScách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu

có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy Máythu GPS phải có được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều(kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệtinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độcao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thôngtin khác như tốc độ hướng chuyển động, bám sát di chuyển quãng cách tới điểmđến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

Phân đoạn không gian có các chức năng cơ bản sau:

- Nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền lên từ phân đoạn điều khiển

- Duy trì thời gian chính xác nhờ các chuẩn tần số nguyên tử trên vệ tinh(đồng hồ nguyên tử)

- Truyền thông tin và tín hiệu tới cho người dùng trên một hoặc hai băng tần

L

Hình 2.2 Phân đoạn không gian

2.2.2 Phân đoạn điều khiển

Phần điều khiển bao gồm: 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và

5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong số đó là trạm hiệu chỉnh số liệu(Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đường đi của các vệ tinh trongkhông gian

Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ:

- Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh

- Tính toán và gởi các bản tin dẫn đường vệ tinh Bản tin này được cập nhậthàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tương lai và thu nhận dữ liệu từ tất

cả các vệ tinh gởi về

- Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên

Hình 2.3 Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS

Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA Trạm trung tâmđiều phối mọi hoạt động trong phần điều khiển Trạm điều khiển trung tâm có mộtđồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để truyền đến cho vệtinh, là thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử của vệ tinh

Hình 2.4 Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất

Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h/ngày Trạm điều khiển trung tâm sẽ điềukhiển các trạm giám sát thông qua các đường nối Các điểm đặt trạm giám sát của

hệ thống trên trái đất:

- Ascension island

- Colorado Spring, Colorado USA

- Diego Garcia island

- Hawaii

- Kawajalein island

Trạm theo dõi thông tin gởi xuống từ vệ tinh:

- Báo cáo chính xác của thời gian của đồng hồ vệ tinh

- Tập hợp chuyển cho trạm điều khiển mọi thông tin về dữ liệu khí tượng baogồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sương Trạm điều khiển trung tâm sửdụng những dữ liệu này để tính toán và đưa ra dự báo về quỹ đạo vệ tinhtrong tương lai

Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gởi thông tincho vệ tinh bao gồm:

- Mệnh lệnh hiệu chỉnh vĩ đạo vệ tinh Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởiđộng các tên lửa điều khiển đưa vệ tinh về vĩ đạo đúng

- Bản tin dẫn đường đến vệ tinh

Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm được đặt ở Ascension island, Diego Garciaisland và Kawajalein island

2.2.3 Phân đoạn sử dụng

Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.Kiểu loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt tiền đếncác hệ thống phức tạp đòi hỏi phải được cấp chứng chỉ chất lượng kỹ thuật đểtrang bị cho các trung tâm dẫn đường, điều hành bay

Hình 2.5 Các hình thức sử dụng GPS

Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm anten thu, bộ phận giải mã, bộ phậnxử lý các mã của tín hiệu vệ tinh GPS, riêng đối với ngành hàng không nó còn xửlý các thông tin dẫn đường và truyền hiển thị các thông tin cho tổ lái và một sốthiết bị cần sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay

2.3 Nguyên lý xác định vị trí của GPS

Các vệ tinh chính là các điểm tham chiếu cho các vị trí trên trái đất Nguyên lý cơ bảncủa GPS là sử dụng “phép tính toán tam giác” Để tính toán tam giác, máy thu GPS đokhoảng cách dựa vào thời gian truyền sóng vô tuyến Để đo thời gian đó, GPS cần phảixác định được thời gian một cách chính xác Cùng với khoảng cách, GPS cũng cầnphải xác định được chính xác vị trí của vệ tinh trong không gian Cuối cùng, hệ thốngcần phải hiệu chỉnh thời gian trễ khi truyền sóng qua tầng khí quyển Bằng cách xácđịnh khoảng cách tới 3 vệ tinh, ta có thể xác định được vị trí của ta chỉ có thể nằm tạimột trong hai điểm trong không gian

Hình 2.6 Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS

Vấn đề chỉ còn là đo thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu Thời gian là một vấn đềkhá phức tạp Thứ nhất bởi vì thời gian rất ngắn Nếu vệ tinh ở ngay phía trên thì thờigian truyền chỉ mất khoảng 0.06 giây Do đó chúng ta cần phải có các đồng hồ chínhxác Giả sử có một cách để làm cho cả vệ tinh và máy thu cùng phát một tín hiệu nhưnhau đúng 12 giờ trưa Nếu tín hiệu đó có thể truyền tới máy thu, thì chúng ta sẽ có haitín hiệu, một từ chính máy thu, một từ vệ tinh Khi đó, sẽ có hai phiên bản không đồngbộ với nhau Phiên bản từ vệ tinh có thể bị trễ do phải truyền qua khoảng cách 11000

dặm (~20000km) Nếu ta muốn biết tín hiệu từ vệ tinh bị trễ bao nhiêu, ta có thể chotín hiệu của máy thu đến khi chúng đồng bộ với nhau

Khoảng thời gian chúng ta phải dịch chuyển tin hiệu của máy thu để có được đồng bộbằng với thời gian truyền từ vệ tinh cho tới máy thu Do đó, chúng ta có thể nhân thờigian đó với vận tốc ánh sáng và sẽ xác định được khoảng cách tới vệ tinh

Distance = Time Delay * Speed of Light

Hình 2.7 Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh

Mỗi vệ tinh đều sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất Mã giả ngẫu nhiên là mộtphần cơ sở của GPS Về mặt vật lý nó là một mã số rất phức tạp, nói cách khác nó làmột chuỗi các ký tự đóng mở Tín hiệu phức tạp đến nỗi trông nó gần như là nhiễungẫu nhiên, đó đó nó có tên là “giả ngẫu nhiên”

Sự phức tạp đó có một ưu điểm: sự phức tạp đảm bảo rằng máy thu không đồng bộ vớimột tín hiệu nào đó không mong muốn Dạng tín hiệu cũng đảm bảo không có một tínhiệu nhiễu nào có dạng đúng như vậy Bởi vì vệ tinh có một mã giả ngẫu nhiên duynhất, do đó đảm báo rằng máy thu không bắt nhầm tín hiệu của một vệ tinh khác Do

đó các vệ tinh có thể sử dụng tần số giống nhau mà không sợ gây phiền nhiễu lẫnnhau Và còn khó hơn nếu ai đó muốn gây nhiễu cho hệ thống Trong thực tế mã giảngẫu nhiên còn cho phép bộ quốc phòng Mỹ điều khiển truy cập vào hệ thống Nhưngcòn một lý do nữa để sử dụng mã giả ngẫu nhiên, đó là có thể sử dụng “lý thuyếtthông tin để khuyếch đại tín hiệu GPS” Đó chính là lý do tại sao các máy thu GPSkhông cần sử dụng các anten lớn để thu tín hiệu – điều này khiến cho GPS trở nên rấtkinh tế

Nếu như mấu chốt là đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu, thì thời gian đócần phải rất chính xác, bởi vì nếu thời gian lệch đi một phần nghìn giây thì với tốc độánh sáng, độ lệch vị trí xác định sẽ là 200 dặm

Đối với vệ tinh, thời gian có độ chính xác cực kỳ cao bởi vì nó có đồng hồ nguyên tửrất chính xác Nhưng còn đối với các máy thu trên mặt đất? Ta nhớ rằng cả vệ tinh vàmáy thu cần phải đồng bộ mã giả ngẫu nhiên với nhau thì hệ thống mới có giá trị.Nhưng nếu máy thu của chúng ta cần phải có đồng hồ nguyên tử thì hệ thống GPS sẽtrở nên không kinh tế (đồng hồ nguyên tử có giá từ $50 đến $100), làm tăng giá thànhsản phẩm Rất may là những người thiết kế hệ thống GPS có một sáng kiến tuyệt vời,

đó là thực hiện thêm một phép đo nữa Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể:

vệ tinh A sẽ là 5 giây và tới vệ tnh B là 7giây Do đó, giao của hai đường tròn sẽ

là tại điểm XX Như vậy khoảng cách từ

X tới XX sẽ là sai số gây ra do sự khôngchính xác của đồng hồ Bây giờ ta sửdụng một vệ tinh thứ ba Nếu như đồnghồ chính xác thì cả ba điểm này sẽ cắtnhau tại một điểm Mà hai đường tròntrên đã cắt nhau tại XX thì nếu đúng,đường tròn thứ ba cũng sẽ đi qua điểm

XX Nhưng vì đồng hồ của ta sai 1 giây,

do đó kết quả sẽ là: đường tròn thứ bakhông đi qua XX, do đó máy thu biếtngay là có sai số về thời gian

Bởi vì sai số thời gian này sẽ ảnh hưởng lên tất cả các phép đo cho nên máy tính sẽtính toán và rút ra một giá trị sửa lỗi sao cho tất cả các đường tròn đi qua đúng mộtđiểm Trong ví dụ này, giá trị cần sửa sẽ trừ đi 1 giây Sau khi xác định được giá trịsửa, máy thu có thể sử dụng giá trị này cho các phép đo sau này Và từ đó đồng hồ củamáy thu đã được đồng bộ với thời gian toàn cầu Tất nhiên quá trình sửa này cần lậplại theo định kỳ để đảm bảo đồng hồ của máy thu luôn luôn đồng bộ Với cách này,

thậm chí những máy thu GPS rẻ nhất cũng có thể có được thời gian chính xác như sửdụng đồng hồ nguyên tử và bây giờ chúng ta đã có thể xác định được chính xác vị trí Sử dụng hệ quả của nguyên lý trên, ta có thể rút ra rằng: hệ thống GPS cần ít nhất bốn

vệ tinh để có thể xác định được chính xác vị trí của ta so với vệ tinh

Để xác định vị trí ta còn phải biết vị trí của vệ tinh để lấy đó làm điểm tham chiếu về

cơ bản các quỹ đạo là khá chính xác Tuy nhiên, để tăng độ chính xác thì các vệ tinhGPS luôn được giám sát bởi bộ quốc phòng Họ sử dụng các radar vô cùng chính xácđể có thể kiểm tra vị trí chính xác của các vệ tinh, bao gồm cả vị trí và tốc độ Lỗiđược kiểm tra được gọi là “lỗi thiên văn” bởi vì chúng ảnh hưởng đến tọa độ thiên vănhay gọi là tọa độ quỹ đạo vệ tinh Các lỗi này gây ra bởi lực hút của mặt trăng, mặt trời

và do áp suất của bức xạ mặt trời lên vệ tinh Các lỗi này thường rất nhỏ nhưng nếumuốn có sự chính xác thì sẽ phải tính đến nó Sau khi bộ quốc phòng đã đo chính xác

vị trí của vệ tinh, họ sẽ truyền thông tin đó quay lại vệ tinh Vệ tinh sau đó sẽ phátcùng trong tín hiệu của mình cả thông tin về vị trí đã hiệu chỉnh Như vậy bản tin của

vệ tinh bao gồm cả thông tin về thiên văn của nó (quỹ đạo, vị trí) Với thời gian chínhxác và xác định được vị trí chính xác của vệ tinh ta có thể tính toán vị trí của mình

2.4 Phương pháp định vị trí của GPS

2.4.1 Định vị tuyệt đối

Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cáchtừ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của anten máythu trong hệ toạ độ WGS-84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lượng Tráiđất) Định vị tuyệt đối còn được chia thành định vị tuyệt đối - tĩnh và định vịtuyệt đối - động "Tĩnh" hay "động" là nói trạng thái của (anten) máy thutrong quá trình định vị

Độ chính xác của định vị tuyệt đối- tĩnh ước đạt cỡ mét, còn độ chính xác định vị

tuyệt đối- động khoảng 10- 40 mét.

2.4.2 Định vị tương đối

Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm khácnhau (hai điểm mút của một đường đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinhđể xác định vị trí tương đối (DX, DY, DZ hoặc DB, DL, DH) giữa hai điểm mútcủa đường đáy hoặc vector đường đáy trong hệ toạ độ WGS-84 Tương tự, nhiềumáy thu được đặt ở các điểm mút của một số đường đáy, quan trắc đồng bộ cùngcác vệ tinh GPS thì có thể xác định được một số vector đường đáy đó Nếu đãbiết toạ độ của một điểm thì có thể dùng vector đường đáy để tính toạ độ củađiểm kia

Định vị tương đối cũng được phân chia thành định vị tương đối - tĩnh và định vị tương đối - động

2.4.3 Định vị sai phân

Định vị GPS sai phân còn gọi là định vị GPS vi phân (Differential GPS viết tắt làDGPS) Trong phương pháp này, một máy thu đặt tại một điểm đã biết toạ độ,gọi là trạm gốc hoặc trạm tham khảo, đồng thời có máy thu khác đặt ở điểm cầnxác định toạ độ, gọi là trạm đo Dựa vào toạ độ chính xác đã biết của trạm gốc,tính số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và số hiệu chỉnh này đ-ược máy GPS ở trạm gốc phát đi Máy thu ở trạm đo, trong khi đo đồng thời cũngthu được số hiệu chỉnh từ trạm gốc và tiến hành hiệu chỉnh kết quả định vị, từ đónâng cao độ chính xác định vị

2.5 Sai số trong định vị GPS

Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng

cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết Khoảng cách đo được làhàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máythu Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máythu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác Các nguồn sai số

đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến kết quả đo GPS

2.5.1 Sai số đồng hồ

Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự khôngđồng bộ giữa chúng Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác caonhưng không phải hoàn toàn không có sai số Trong đó sai số hệ thống lớnhơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệthống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chínhxác của đồng hồ Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thìảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như nhau.Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh Cùng một máy thu, khi quan trắcđồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhauđối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể đượccoi là độc lập với nhau

Như đã biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.108 m/s, do đó nếu đồng hồ thạchanh có sai số 10-4 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30.000m; nếuđồng hồ nguyên tử có sai số 10-7 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách

là 30m

Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo

2.5.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Do sự thay đổi của trọng trường Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiênthể khác tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạokhông hoàn toàn tuân theo định luật Kepler Đó là nguyên nhân gây nên sai sốquỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh Trong định vị GPS cầnphải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit) Các trạm điều khiển quantrắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đa ra lịch dự báo,gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho người sử dụng bằng cách thutrực tiếp nhờ máy thu GPS Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tứcthời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 - 100 m

Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemerit).Lịch vệ tinh này được thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở các thờiđiểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ vệ tinh cỡ 10 -50m

Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính xác tọa độđiểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ về cơ bảntrong kết quả định vị tương đối

2.5.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ50km đến 1000km Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đếnmáy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền

Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ

lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu Đối với tín hiệu GPS, số hiệuchỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theohướng có góc cao 200, có thể đạt đến 150m Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly

thường dùng máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu cáctrị đo đồng bộ.

Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ của đờng truyền tín hiệu càng phức tạp hơn,phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ vàđộ ẩm, ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao củađường truyền tín hiệu Giá trị ảnh hưởng sai số theo hướng thiên đỉnh có thể đạtđến 2-3m, theo hướng có góc cao 10o có thể đạt đến 20m

2.5.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như:Tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước ) ở gần máy thuGPS; tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ởgần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp); tín hiệu bị gián đoạn do

bị che chắn bởi các vật cản (nhà cửa, cây cối ) Các tín hiệu bị nhiễu nói trênchập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu gây ra sai số đối với trịđo

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật dễphản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trờiđầy mây, đang mưa, không đặt máy thu ở dưới các rặng cây

Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác như sai số

do ảnh hưởng xoay của Trái đất, do triều tịch của Trái đất, do hiệu ứng củathuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của anten.Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnhhưởng của các nguồn sai số này

2.6 So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS

Cả hai hệ thống (GPS và GLONASS) có số lượng vệ tinh và cấu trúc quỹ đạo củaphần không gian tương tự nhau, nghĩa là dự đoán các vùng làm việc dịch vụ chongười sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố PDOP Các dải tần số làm việc của hệthống GPS và GLONASS tương đối gần nhau nên người sử dụng có thể thu nhận tínhiệu của hai hệ thống bằng một anten và bộ tiền khuếch đại chung

Sự khác nhau cơ bản giữa GLONASS và GPS được cho trong bảng sau:

Bảng 2.1 Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS

Phương pháp mô tả dữ liệu lịch Thông số chuyển động vệ

tinh trong hệ toạ độ địatâm

Kepler

Hiệu chỉnh thời gian hệ thống so với

UTC

Khoảng thời gian phát lịch vệ tinh 2, 5 Phút 12, 5 Phút

Phương pháp truy nhập tín hiệu vệ

tinh

Dải tần làm việc (1602, 5625161, 5)0, 1575, 421