MỤC LỤC A. PHẦN MỞ ĐẦU 1 B. PHẦN NỘI DUNG 5 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 5 I.1. GIỚI THIỆU CHUNG: 5 I.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 6 I.2.1. Phần điều khiển (Control Segment): 6 I.2.2. Phần không gian (Space Segment): 7 I.2.2.1. Chòm vệ tinh GPS: 7 I.2.2.2. Cấu trúc tín hiệu GPS 7 I.2.3. Phần sử dụng (User Segment): 8 I.2.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. 9 I.2.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS. 10 I.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 11 CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG HỆ THỐNG GPS 13 II.1 Phương pháp Đo 13 II.1.1 Phương pháp đo tĩnh 13 II.1.2 Phương pháp đo động 14 II.1.3 Phương pháp đo giả động 15 II.2 So sánh các phương pháp đo 16 CHƯƠNG III: SAI SỐ TRONG ĐO ĐẠC GPS VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ DỮ LIỆU VÀ TỈ LỆ BẢN ĐỒ 16 III.1 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS 16 III.1.1 Sai số của đồng hồ 16 III.1.2 Sai số của quỹ đạo vệ tinh 16 III.1.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 17 III.1.4 Sai số do nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh 18 III.1.5. Sai số do người đo 19 III.2 Mối quan hệ giữa độ chính xác bộ dữ liệu GPS và tỉ lệ bản đồ. 19 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH. 20 C. KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Trang 1[1]
MỤC LỤC
A PHẦN MỞ ĐẦU 1
B PHẦN NỘI DUNG 5
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 5
I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 5
I.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 6
I.2.1 Phần điều khiển (Control Segment): 6
I.2.2 Phần không gian (Space Segment): 7
I.2.2.1 Chòm vệ tinh GPS: 7
I.2.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 7
I.2.3 Phần sử dụng (User Segment): 8
I.2.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng 9
I.2.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS 10
I.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS 11
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO BẰNG HỆ THỐNG GPS 13
II.1 Phương pháp Đo 13
II.1.1 Phương pháp đo tĩnh 13
II.1.2 Phương pháp đo động 14
II.1.3 Phương pháp đo giả động 15
II.2 So sánh các phương pháp đo 16
CHƯƠNG III: SAI SỐ TRONG ĐO ĐẠC GPS VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHÍNH XÁC BỘ DỮ LIỆU VÀ TỈ LỆ BẢN ĐỒ 16
III.1 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS 16
III.1.1 Sai số của đồng hồ 16
III.1.2 Sai số của quỹ đạo vệ tinh 16
Trang 2[2]
III.1.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 17
III.1.4 Sai số do nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh 18
III.1.5 Sai số do người đo 19
III.2 Mối quan hệ giữa độ chính xác bộ dữ liệu GPS và tỉ lệ bản đồ 19
CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO VẼ TRẮC ĐỊA ĐỊA HÌNH 20
C KẾT LUẬN 22
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Trang 3[3]
A PHẦN MỞ ĐẦU
Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở Việt Nam từ năm 1991 Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản
đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục
Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé
và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền
Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ
độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng
Trang 4[4]
Hình 1: Khái quát chung về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Trang 5[5]
B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:
Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau
Hình 2: Định nghĩa về GPS
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất Chúng ta có thể nói khả
Trang 6[6]
năng phần mềm là vô tận Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa
độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch
vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0.2 mgl) Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu
I.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
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 (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment)
Hình 3: Sơ đồ hoạt động của hệ thống định vị toàn cầu GPS
I.2.1 Phần điều khiển (Control Segment):
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; 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 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
Trang 7[7]
Nhƣ vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã đƣợc hiệu chỉnh để
phát cho các máy thu
Hình 4: Vị trí đặt trạm điều khiển trên thế giới
I.2.2 Phần không gian (Space Segment):
I.2.2.1 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 đƣợc 4 vệ tinh
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 đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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"
I.2.2.2 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
đƣợc điều chế bởi những tín hiệu khác nhau
Trang 8[8]
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
I.2.3 Phần sử dụng (User Segment):
Hình 5: Phân bố vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo
Trang 9[9]
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 đi 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 và
* 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 mền 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
Trang 10[10]
Hình 6: Phần thiết bị dẫn đường GPS
I.2.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải tích Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vô tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí Kíck thước
và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau
Trang 11[11]
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện
áp thấp, chỉ có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều
I.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS
Hình 7: Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Vị trí của 1 điểm trên mặt đất, sẽ là tham chiếu so với vị trí của các vệ tinh và trung tâm tín hiệu trung gian mặt đất Nói cách khac: Vị trí của bạn sẽ được tính toán dựa trên khoảng cách từ nơi bạn đang đứng đến các vệ tinh, và đến các trung tâm mặt đất Khoảng cách này được đo = phương pháp rất đơn giản, đó là Quãng đường = Vận Tốc x Thời Gian Ở đây, vận tốc là vận tốc truyền tín hiệu (sóng), thời gian đo bằng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cực cao
Theo lý thuyết, chỉ cần có 3 vệ tinh là có thể tính toán đc vị trí (tính ra tọa độ x,y,z trong không gian), tuy nhiên do có sai số nhất định nên hệ thống cần thêm 1 tham chiếu nữa, tức là thêm 1 vệ tinh nữa là 4 vệ tinh để có thể tính toán đc chính xác Dĩ nhiên nếu có nhiều hơn 4 vệ tinh thì nó cũng sẽ nhận hết và xử lý hết tín hiệu Cuối cùng, GPS tuy tính toán vị trí rất chính xác nhưng vẫn luôn luôn có sai số Sai
số này có thể và vài mét, hoặc vài trăm mét Sai số hiển thị trên màn hình thiết bị chỉ là sai số có thể có dựa trên phân tích tín hiệu thu nhận đươc, còn thực tế thì không ai biết được chính xác Bởi các vệ tinh, trái đất, và cả chúng ta đều di chuyển liêntụcđồngthờitrongthờigianthực
Như 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 công thức:
