Hệ thống định vị vệ tinh GPS

Hệ thống định vị vệ tinh GPS

LỚI NÓI ĐẦU

GPS không còn xa lạ tại Việt Nam Đặc biệt với cở vật chất cũng như sự phát triển chóng mặt của mạng viễn thông với cột mốc phóng vệ tinh Vinashat1 thì những đòi hỏi của GPS càng ngày càng trở lên đơn giản

Ngày nay nếu chúng ta ngồi trên chiếc xe ô tô bóng láng, trên xe ô tô có trang bị thiết bị dẫn đường GPS (GPS navigator) chúng ta có thể nhìn thấy vị trí hay tọa độ của xe mình hiện trên màn hình có bản đồ điện tử trong hệ thống đường xá phức tạp Vậy thiết bị dẫn đường GPS trên xe ô tô có nguyên lý hoạt động như thế nào? Thiết bị dẫn đường GPS dựa trên nguyên lý hoạt động của Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System, viết tắt là GPS) hoặc tên gọi mới ưa dùng hơn Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

Trên thế giới khái niệm GPS đã tồn tại khá lâu và đã được áp dụng rất rộng rãi không chỉ trong quân sự mà trong rất nhiều mặt của đời sống Vì thế nghiên cứu tìm hiểu

và ứng dụng công nghệ này vào điều kiện cụ thể Việt Nam là điều hoàn toàn thiết thực, đặc biệt trong lĩnh vực giao thông

Ý tưởng làm đề tài này của em được Kỹ sư Đỗ Minh Hiền, cựu sinh viên Bách Khoa gợi ý Sau một thời gian tìm hiểu em cảm thấy rất thích và quyết định lấy nó làm đồ

án tốt nghiệp ra trường của mình Và quá trình thực tập tốt nghiệp 2 tuần cũng là lúc em càng quyết tâm theo đuổi đề tài này

Hy vọng dưới sự giúp đỡ của thầy Bùi Minh Cường cùng các thầy cô trong khoa em

sẽ hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Hà nội, Ngày 01 tháng 02 năm 2010

Sinh viên: Đinh Tiến Đức Lớp: Công nghệ phần mềm B – K47

Mã sinh viên: 0603692

1 Giới thiệu về GPS

(The Global Positioning System (GPS)) là

một chuẩn chung cho hệ thống định vị nhờ vệ tinh

(Global Navigation Satellite System(GNSS) ), được

phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa kỳ Là chuẩn định

vị nhờ vệ tinh với đầy đủ chức năng trên thế giới

GPS sử dụng một nhóm từ 24 đến 32 vệ tinh bay ở

quỹ đạo Medium Earth Orbit (MEO 2000km đến

35,768km) quanh trái đất phát tín hiệu sóng tới các

các thiệt bị thu GPS nhằm xác định chính xác vị trí

máy thu GPS, thời gian và vận tốc của chúng Cơ

quan của GPS là NAVSTAR GPS Nhóm vệ tinh GPS

được quản lý bởi United States Air Force 50th Space

Wing GPS thường được sử dụng trong dân sự như

một hệ thông định vị, điều hướng

Sau khi chuyến bay 007 từ Hàn Quốc bị bắn hạ vào năm 1983 vì bay vào vùng cấm bay của USSR, tổng thống Ronald Reagan đưa ra chỉ thị sử dụng GPS cho dân sự như một tiện ích chung Từ khi đó, GPS được sử dụng rộng rãi hỗ trợ định vị toàn cầu, và là một công cụ hữu dụng cho thiết kế bản đồ, đo đạc vùng đất, công thương, khoa học và trở thành tiện ích cá nhân Tham chiếu thời gian chính xác được sử dụng trong nhiều ứng dụng bao gồm nghiên cứu khoa học về động đất GPS yêu cầu đồng bộ tài nguyên của các mạng lưới đối tượng, như giao tiếp không dây Qualcomm CDMA sử dụng bới các thiết bị không dây trong các quốc gia

Hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên, Transit, được sử dụng bởi hải quân Mỹ, là thử nghiệm thành công đầu tiên vào năm 1960 Sử dụng một nhóm 5 vệ tinh, nó có thể cung cấp một định vị trong xấp xỉ một giờ đồng hồ Năm 1967, hải quân Mỹ phát triển vệ tinh Timation chứng minh khả năng đặt giờ chính xác trong vũ trụ Năm 1970, hệ thống định vị vận tốc góc, dựa trên việc so sánh các giai đoạn của tín hiệu, trở thành hệ thống định vị radio toàn cầu đầu tiên Thiết kế của GPS một phần tương tự như hệ thống định vị radio, như LORAN và Decca Navigator phát triển vào đầu năm 1940, và được sử dụng trong suốt đại chiến thế giới lần thứ 2 Thêm vào đó là cuộc chạy đua công nghệ khi Liên Xô thống nhất và cho phóng Sputnik đầu tiên vào năm 1957 Một đội các nhà khoa học của Mỹ đứng đầu là Dr Richard B Kershner đã quan sát và kiểm tra sự truyền tín hiệu radio của Sputnick Họ đã tìm ra nhờ tác động Doppler Sự liên tục của tín hiệu được truyền từ Sputnik thì cao hơn khi tiến gần đến vệ tinh và thấp hơn khi nó tiếp tục xa họ Họ tiến hanh việc này từ khi họ biết vị trí chính xác vị trí của họ trên địa cầu Họ có thể định vị nơi mà

vệ tinh tiến đến Quỹ đạo của nó được đo bởi biến đổi Doppler

Niên biểu lịch sử phát triển GPS

Thập niên 1920s Ra đời hệ thống dẫn đường vô tuyến

Hệ thống GPS

Đầu Đại chiến thế

giới thứ 2

LORAN, hệ thống dẫn đường áp dụng phương pháp đo độ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ Đại học MIT (MIT Radiation Laboratory) LORAN cũng là hệ thống định vị trong mọi điều kiện thời tiết thực sự đầu tiên, nhưng hai chiều (vĩ độ

và kinh độ)

1957

Vệ tinh Sputnik của Nga được phóng lên vũ trụ Đại học MIT cho rằng tín hiệu vô tuyến điện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận trái đất và giảm đi khi rời khỏ trái đất và do vậy có thể truy theo vị trí

từ mặt đất

1959

TRANSIT, hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh hoạt động đầu tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự chỉ đạo của TS Richard Kirschner Mặc dù khởi đầu Transit được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này đã được phát triển có ích trở thành Hệ thống định vị toàn cầu Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào năm 1959

1960

Hệ thống dẫn đường đo hiệu thời gian ba chiều (kinh độ, vị độ và độ cao longitude, latitude and altitude) đầu tiên do Raytheon Corporation

đề xuất theo yêu cầu của Air Force để làm hệ thống dẫn đường sẽ được

sử dụng với (with a proposed ICBM) có thể đạt tới độ lưu động bằng chạy trên một hệ thống đường ray Hệ thống dẫn đường được trình bày

là MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control) Ý tưởng này bị hỏng khi chương trình Mobile Minuteman bị hủy bỏ vào năm 1961

1963

Tổng công ty Aerospace Corporation thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho hệ thốn dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo ba chiều không gian Việc nghiên cứu này trực tiếp dẫn tới khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu Khái niệm liên quan đến việc đo thời gian tới của tín hiệu sóng vô tuyến được phát đi từ vệ tinh có vị trí chính xác đã biết Đo thời gian sẽ cho khoảng cách tới vị trí vệ tinh đã biết và lần lượt có thể xác định được vị trí của người sử dụng

1963

Air Force bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu của Aerospace, chỉ định nghiên cứu này bằng Dự án Hệ thống 621B Khoảng năm 1972, chương trình này đã biểu diễn hoạt động của một loại tín hiệu xác định khoảng cách

vệ tinh mới dựa trên tiếng ồn ngẫu nhiên giả tạo (PRN, pseudo random noise)

1964

Timation, hệ thống vệ tinh hải quân, được phát triển dưới sự chỉ đạo của Roger Easton ở Phòng nghiên cứu Hải quan (Naval Research Lab, NRL) để cải thiện đồng hồ có tính ổn định cao, khả năng truyền thời gian, và dẫn đường 2 chiều Hoạt động của Timation theo tiêu chuẩn thời gian chuẩn vũ trụ đã cung cấp cơ sở quan trọng cho hệ thống định

vị toàn cầu Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng

5 năm 1967

Bộ Quốc phòng Mỹ (DoD, Department of Defence, USA) thành lập một ủy ban gọi là Ủy ban Thự hiện Vệ tinh Dẫn đường (NAVSEC, Navigation Satellite Executive Committee) để phối hợp nỗ lực của các nhóm dẫn đường vệ tinh (Transit của Hải quân, Chương trình Timation, và SECOR của Quân đội, hay còn gọi là Hệ thống đồng tương quan khoảng cách chuỗi (Sequential Correlation of Range System) NAVSEC ký hợp đồng một số nghiên cứu để làm sáng tỏ khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản Những nghiên cứu này về một số vấn đề chính xung quanh khái niệm như lựa chọn tần số sóng mang (dải L đối lập với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu, và lựa chọn định hình quỹ đạo vệ tinh

1969-1972

NAVSEC quản lý các thảo luận khái niệm giữa các nhóm dẫn đường

vệ tinh khác nhau APL Hải quân ủng hộ nhóm Transit mở rộng, trong khi NRL Hải quân ủng hộ cho Timation mở rộng, còn Air Force thì ủng hộ cho “chòm sao đồng bộ mở rộng”, tức dự án ‘Hệ thống 621B’

Tháng 4 năm 1973

Thứ trưởng Bộ Quốc phòng quyết định thiết lập một chương trình hợp tác ba dịch vụ để thống nhất những khái niệm khác nhau về định vị và dẫn đường thành một hệ thống Bộ quốc phòng hỗn hợp gọi là Hệ thống vệ tinh dẫn đường quốc phòng (Defense Navigation Satellite System) Air Force được chỉ định làm người quản lý (điều hành) chương trình Hệ thống mới được phát triển qua văn phòng chương trình kết hợp (joint program office), với sự tham gia của tất cả quan chủng quốc phòng Đại tá Brad Parkinson được chỉ định làm người chỉ đạo văn phòng chương trình kết hợp và được đặt trọng trách phát triển kết hợp khái niệm ban đầu về hệ thống dẫn đường dựa trên không gian (space-based navigation system)

Tháng 8 năm 1973

Hệ thống đầu tiên được trình bày tới Hội đồng Thu nhận và Thẩm định

Hệ thống Quốc phòng (Defense System Acquisition and Review Council, DSARC) bị từ chối thông qua Hệ thống được trình lên DSARC được gói gọn trong Hệ thống 621B của Air Fore và không đại diện cho chương trình kết hợp Mặc dù có người ủng hộ ý tưởng của

hệ thống dẫn đường dựa trên vệ tinh mới nhưng Văn phòng Chương trình Kết hợp đã được thúc đẩy khẩn trương tổng quát hóa khái niệm bao gồm xem xét và yêu cầu tất cả các binh chủng quốc phòng

17/12/1973

Một khái niệm mới được trình tới DSARC và được thông qua để thực hiện và cấp kinh phí là hệ thống NAVSTAR GPS, đánh dấu khởi đầu công nhận khái niệm (ý tưởng) (Giai đoạn I của chương trình GPS) Khái niệm mới thực sự là một hệ thống dàn xếp (thỏa hiệp – compromise system) do Đại tá Parkinson thương lượng đã kết hợp tốt nhất giữa tất cả những khái niệm và công nghệ dẫn đường vệ tinh có sẵn Cấu hình hệ thống được thông qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng chu kỳ 12 giờ đồng hồ

Tháng 6 năm 1974 Hãng Rockwell International được chọn làm nhà cung cấp vệ tinh cho

1977 Thực hiện kiểm tra thiết bị người sử dụng ở Yuma, Arizona.

22/2/1978

Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng Toàn bộ 11 vệ tinh Block I được phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur Những

vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng được coi là những

vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống Bị mất một vệ tinh do phóng trượt

26/4/1980 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệ thống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (Integrated Operational

Nucluear Detonation Detection System (IONDS) sensors)

1982

Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trình chính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phòng gây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngân sách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86

14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ hạt nhân (NDS) mới hơn

16/9/1983

Theo (the Soviet downing of Korean Air flight 007), tổng thống Reagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàn toàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng Sự kiện này đánh dấu sự bắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự

Tháng tư 19985

Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao cho JPO Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựa chọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máy thu xách tay (gọn nhẹ)

1987

Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department of Transport, DoT) có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một văn phòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữ liệu và hỗ trợ kỹ thuật Tháng 2 năm 1989, Coast Guard có trách nhiệm làm đại

lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS service)

1984

Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảng được nâng cánh! Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quá trình phát triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹ thuật nâng cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS) và kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking)

3/1988 Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng

14/2/1989

Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ Cape Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster) Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng Tiếp theo tai nạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xem xét lại

và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS SA (Selective Availabity) và AS (Anti-spoofing

21/6/1989

Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ tinh bổ sung (Block IIR) Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng

để phóng vào cuối năm 1996

1990 Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàng đầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm ban đầu.

25/3/1990

DoD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiên khởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chính xác dẫn đường GPS có chủ định

8/1990

SA được tắt đi trong chiến tranh vịnh Ba tư (Persian Gulf War) Những yếu tố đóng góp vào quyết định tắt SA bao gồm việc phủ sóng ba chiều có giới hạn được chòm NAVSTAR cung cấp trong quỹ đạo vào thời gian đó và sớ máy thu mã số chính xác (Precision (P)-code) trong bản kiểm kê của DoD DoD đã mua hàng nghìn máy thu GPS dân dụng ngay sau đó không lâu đã dùng cho lực lượng liên minh trong cuộc chiến tranh

1990-1991

GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư Sử dụng GPS cho Bão Sa Mạc Hoạt Động (Operation Desert Storm) chúng minh là cách sử dụng chiến thuật thành công đầu tiên của công nghệ không gian trong giới hạn thiết trí hoạt động

29/8/1991 SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư

1/7/1991

Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêu chuẩn (SPS) GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miển phí trong vòng ít nhất 10 năm Lời đề nghị này được thông báo trong Hội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10th Air Navigation Conference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO, International Civil Aviation Organization)

5/9/1991

Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAO bằng cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc này phụ thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm có thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏ SPS

8/12/1992 Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng hoạt động

đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ thống GPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có khả năng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn trên toàn cầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa.

17/2/1994

Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệ thống dẫn đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phương tiện hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thông qua tiếp cận không chính xác (nonprecision approach)

6/6/1994 Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III.

11/1994

Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàng đầu thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máy thu GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60 triệu đô

la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thành công ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh

8/6/1994

Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thống Gia tăng Vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằm mục đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người sử dụng dân sự trên tất cả các phương tiện bay Giá chương trình theo dự tính mất 400-500 triệu đô la Mỹ Chương trình này được lập kế hoạch thực hiện vào khoảng năm 1997

11/10/1994

Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (the Department

of Transportation Positioning / Navigation Executive Committee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằm thực hiện chính sách GPS

14/10/1994

Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s offer) làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và toàn cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi cho ICAO

16/3/1995

Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệu GPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửi cho ICAO

Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như thay thế những vệ tinh già tuổi Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệ tinh Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ tinh già tuổi Vệ tinh mới nhất được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệ tinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M Theo kế hoạch, vệ tinh tiếp theo sẽ được phóng lên không gian vào tháng giêng năm nay (2006)

Trong quá trình tìm hiểu em tìm được khá nhiều tài liệu cũng như các bài báo liên quan đến GPS và cũng có các thông tin khác nhau về số lượng vệ tinh hiện nay Em xin phép lấy các tài liệu nghiên cứu 24 vệ tinh làm nguồn tham khảo chính vì dù số lượng có khác nhau nhưng về nguyên tắc hoạt động thì không hể khác nhau

Cũng phải nói thêm là đối trọng với hệ thống GPS của Hoa Kỳ, Liên Xô cũng đã xây dựng thành công hệ thống định vị cho riêng mình Và năm 2008 cũng là năm đánh dấu sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu mang nhãn hiệu EU

Hệ thống GLONASS (Nga)

Hệ thống GLONASS gồm 24 vệ tinh, 8 vệ tinh cho một quỹ đạo bay gồm 3 quỹ đạo Các vệ tinh hoạt động với quỹ đạo có độ cao 19,100 km orbits ở góc nghiêng 64.8 độ và 11 giờ 15 phút/ quỹ đạo Mỗi vệ tinh truyền trên 2 nhóm tần số L (two L frequency groups) Nhóm L1 là tâm ở tần số

1609 MHz trong khi nhóm L2 được đăng ký ở tần số 1251MHz Mỗi vệ tinh truyền trên một cặp tần số duy nhất Tín hiệu GLONASS mang cả mã P (precise (P) code) và mã C/A

(coarse/acquisition (C/A) code) Mã P được mã hoá cho quân đội sử dụng trong khi đó mã C/A thì

có sẵn cho công dân sử dụng.

Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM (NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING).Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển, phần không gian và phần sử dụng

A - Phần điều khiển (Control Segment):

Gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii và một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station)

Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) 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 khi 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 Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy làm nhiệm vụ thu tín hiệu từ vệ tinh

B - Phần không gian (Space Segment):

- 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 theo dõi về vị trí đó bằng 4 vệ tinh gần nhau

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz

và L2=1227.60 MHz Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1 Mã này được gọi tên là mã P (Precise) Bên cạnh mã

P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao

Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy)

và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được

quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".

- Cấu trúc tín hiệu GPS: Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công

việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang này gọi

là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau

Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau Mã

Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung

là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y)

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã ( Mã-C/A và Mã`-P hoặc

mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y

Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi

Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực

C - Phần sử dụng (User Segment):

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay

và tàu thủy Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Các máy thu 2

tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng 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 Với khoảng cách lớn hơn 50

km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm) Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển Trái Đất Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid

a = 6378137.0 m = 1:29825722.αPhần sử dụng GPS có 3 bộ phận chính:

• Phần cứng

• Phần mềm

• Phần triển khai công nghệ

Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô tuyến

RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác

Phần mềm bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho

có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ chính xác

Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát triển trong lĩnh vực giá

cả và hiệu suất thiết bị

2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

Nguyên lý chung:

Nói đến GPS, mọi người thường nghĩ đến máy thu GPS, thực ra, GPS là một

hệ thống gồm 27 vệ tinh (kể cả 3 cái sơ cua) chuyển động trên các quí đạo chung quanh trái đất Quân đội Mỹ phát triển hệ thống này với mục đích quân sự nhưng nay nó đã

được mở rộng cho các mục đích dân sự.Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng mặt trời, chuyển động cách mặt đất khoảng 19300km Mỗi vệ tinh quay quanh trái đất 2 vòng một ngày đêm Quỹ đạo của các vệ tinh được tính toán sao cho ở bất kỳ nơi nào trên trái đất, vào bất kỳ thời điểm nào, cũng có thể “nhìn thấy”.

Công việc của một máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh hay hơn nữa, tính toán khoảng cách từ các vệ tinh và sử dụng các thông tin đó để xác định vị trí của chính nó Quá trình này dựa trên một nguyên lý toán học đơn giản Giả sử bạn đang ở một nơi nào đó ở Vietnam, và bạn hoàn toàn không biết minh ở đâu,

vì một lý do nào đó Bạn gặp một người dân địa phương và hỏi một cách thân thiện:

“làm ơn cho tôi biết tôi đang ở đâu ?” Anh ta trả lời: “bạn đang cách Vũng tàu 45 km” Đây là một sự thật thú vị, nhưng chưa thật sự có ích bạn có thể ở bất kỳ đâu trên vòng tròn có tâm là Vũng tàu, bán kính 45 km Bạn hỏi một người khác và cô ta cho biết bạn đang cách Biên Hoà 40 km Bây giờ bạn đã khá hơn Nếu bạn tổng hợp hai thông tin, bạn sẽ có hai vòng tròn giao nhau Vị trí của bạn là một trong hai giao điểm của hai đường tròn.Người thứ ba cho bạn biết vị trí của bạn cách Sài gòn 30 km

Áp dụng nguyên lý nay vào không gian 3 chiều, ta cũng có 3 mặt cầu thay vì

3 đường tròn, giao nhau tại một điểm Về mặt nguyên lý thì không khác nhau nhiều lắm, nhưng khó tưởng tượng hoặc mô tả bằng hình vẽ hơn Thay vì các đường tròn, bạn

Hệ thống GPS (Global positioning system)

gồm có 24 vệ tinh phân phối thành 6 nhóm

bay theo 6 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và

ở độ cao khoảng 20 200 km

Hệ thống GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) gồm 24 vệ tinh phân phối thành 3 nhóm bay theo 3 quỹ đạo hình tròn quanh trái đất và ở độ cao khoảng 19

100 km Chỉ có 7 trên 24 vệ tinh hãy còn hoạt động

- Thực ra đó là những cái tổng quan mà với người không tìm hiểu kĩ về GPS cũng có thể nắm bắt được Tựu chung thì nguyên lý ban đầu mà lấy từ những ý tưởng đã được viết ở trên là: chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách"

- Kỹ thuật này được mô tả bằng các công thức sau đây với các thông số:

s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;

p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;

c - Tọa độ sóng;

t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.

t - Số hiệu chỉnh thời∆ gian.

- Tập hợp các phương trình đo dạng (I.1) ta có hệ thống phương trình sai số

có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz),

t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER Sở dĩ như vậy vì

vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER

- Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng

2 mục đích:

+) Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy

bay )

+) Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.

Nguyên lý xác định tọa độ tương đối

Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

N - Số nguyên lần bước sóng;

- Phaϕ của sóng;

S - Khoảng cách vệ tinh - máy thu

Từ công thức (I.2) chúng ta có: = (f/c).S - N (I.3) ϕ

Xét công thức (I.3) từ một phía khác chúng ta có thể viết: p(t) + Nsp

(I.4) φ s(ts ) - φ (t) = ϕ

- Trong đó:

s(tsφ ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;

p(t) -φ Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;

Nsp - Số nguyên lần bước sóng.

Từ các công thức trên ta suy ra: s(t) - (f/c).Ssp - φ (t) = ϕ p(t) + Nsp (I.5) φ

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (I.5) chúng ta biểu diễn

dưới dạng: spγs(t) + βp(t) + α(t) = - (f/c).Ssp - ϕ (I.6)

- Trong đó:

p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máyα thu gây ra (chủ yếu là

số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)

s(t) - Thành phần ảnhβ hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là

số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)

sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thuγp(to) + Nsp , trong đó toφs(to) - φgây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu

là là thời điểm bắt đầu đo)

Công thức (I.6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật

đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.

Thực ra chúng ta có thể nắm bắt tổng quan lại như sau (vì có khá nhiều phần

từ máy thu GPS đến vệ tinh và vị trí của vệ tinh chỉ ra là máy thu GPS nằm trên bề mặt của một hình cầu có tâm là các vệ tinh Vì thế chúng ta có thể xác định được vị trí của máy thu GPS tại điểm giao cắt của 4 hình cầu Trong trường hợp ko xẩy ra

lỗi, máy thu GPS sẽ nằm trên giao điểm của 4 mặt cầu Bề mặt của 2 mặt cậu nếu chúng giao nhau tại hơn 1 điểm thì giao tuyến sẽ là một hình tròn.

Một hình tròn và một mặt cầu trong hầu hết các trường hợp giao nhau tại 2 điểm, mặc dù có thể tưởng tượng được chúng có thể giao nhau tại 1 điểm hoặc tất

cả các điểm Trở lại với lượng giác trong bài toán này Vị trí chính xác của máy thu

là giao điểm của bề mặt của bốn mặt cầu với tâm là 4 vệ tịnh Hai giao điểm đối xứng với nhau qua mặt phẳng chứa 3 vệ tinh nếu 3 vệ tinh không năm trong một quỹ đạo tương tự, mặt phẳng chứa 3 vệ tinh sẽ không thẳng đứng (đi qua tâm của trái đất) Trong trường hợp này một giao điểm sẽ gần trái đất hơn giao điểm còn lại Giao điểm gần trái đất sẽ là vị trí chính xác đối với máy thu là phương tiện trên trái đất, giao điểm xa trái đất sẽ là vị trí chính xác với máy thu là phương tiện trong vũ trụ.

3 Các phương pháp định vị

- Phép định vị tĩnh và định vị động Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật

thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa

Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho

có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution) Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận bằng đường cộng trơn

- Phép định vị tương đối Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử

dụng phép định vị tương đối Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn

1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang Kiến nghị này có hai ngụ ý:

- Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.

- Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam giác ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.

- Phép 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 Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học

so với một cạnh đo vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trị quan trắc Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt Trong hoàn cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất

- Phép định vị động tương đối Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ

chính xác cao thi các phép định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được) Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động 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 Kết quả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết

quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép

độ dài thay cho khoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao

độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động.Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tín hiệu

và thông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh

- Cấu hình hình học GPS và độ chính xác Độ chính xác định vị điểm bằng GPS

phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai

số đồng hồ đo thời gian và nhiễu trong máy thu.ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy giảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng oσ = DOP σtỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:Trong o là độ chính xác của trị số đo

là độ chính xácσ định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)

DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ

chính xác của vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ

Các trị số DOP thường dùng nhất là:

o là độ chính xác tiêu chuẩn trong caoσ• VDOP độ.

o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.σ• HDOP

o là độ chínhσ• PDOP xác vị trí không gian 3D.

o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thờiσ• TDOP gian.

oσ• THDOP là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.

o là độσ• GDOP chính xác vị trí không gian 3D và thời gian.

Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổng bình phương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm

- Độ suy giảm chính xác.Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học

của cấu hình phân bố vệ tinh GPS Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia.Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt Giả thiết độ chính xác trị số đo

là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m Nếu trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị

số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất

4 Các nguồn sai số trong quá trình đo phát tín hiệu GPS

- Sai số do đồng hồ Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu

và sự không đồng bộ của chúng

Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để sử lý Để làm 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

Hiệu chỉnh đồng hồ máy thu GPS

Phương pháp xác định vị trí đối với trường hợp không xẩy ra lỗi đã được giới thiệu

ở mục trên Một trong những lỗi nguồn quan trọng nhất là đồng hồ máy thu Bởi vì giá trị rất lớn của tốc độ ánh sáng, C, Khoảng cách ước lượng từ máy thu GPS đến

vệ tinh lớn rất dễ gây ra sai hỏng đối với đồng hồ máy thu Đề xuất sử dụng một đồng hồ vô cùng chính xác và đắt tiền dùng cho công việc của máy thu GPS Mặt khác yêu cầu sản xuất máy thu GPS với giá rẻ của đa số các nhà sản xuất, giải pháp dựa trên giao điểm các bề mặt cầu giải quyết vấn đề GPS rơi vào tình trạng tiến lui đều khó.

Trường hợp giao tuyến của bề mặt của 3 mặt cầu Khi hình tròn (giao tuyến của 2 mặt cầu đầu tiên) thường khá lớn và mặt cầu thứ 3 cắt hình tròn to này Chưa chắc

bề mặt của mặt cầu tương ứng với tâm là vệ tinh thứ tư sẽ đi qua 2 giao điểm của 3 mặt cầu đầu tiên khi bất kỳ một lỗi đồng hồ có thể gây ra sự sai lệnh của giao điểm Tuy nhiên khoảng cách từ ước lượng hợp lý vị trí máy thu tới bề mặt của mặt cầu thứ 4 có thể sử dụng để tính toán như một đồng hồ chính xác Lấy r4 là khoảng cách ước lượng từ vị trí máy thu GPS đến vệ tinh thứ 4 và p4 là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4 đến máy thu được tính thông qua 3 vệ tinh còn lại Gọi da = r4 – p4 Ta nhận thấy da chính là khoảng cách từ vị trí máy thu tới bề mặt của mặt cầu tâm là

vệ tính thứ 4, bán kính P4 Vì thế thương số, b = da/C , cung cấp một

Ước lượng b = (thời gian chính xác) – ( thời gian trên đồng hồ máy thu)

Đồng hồ máy thu sẽ là nhanh nếu b dương, và là chậm nếu b âm

- Sai số do quĩ đạo vệ tinh: Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ

nghiêm ngặt định luật Kepler do có 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, Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên

cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc đoạn

điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số Có hai loại ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50

m, và chỉ được cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai điểm

- Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu: Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200

km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện

ly và tầng đối lưu Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự

do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ

do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử dụng máy thu 1 tần

số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày.ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở cách nhau không quá vài chục km và vì thế sẽ 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

- 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 Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten

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 Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát

Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1

Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP) Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác