TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

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 4000ST, 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.

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 6

I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:

I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):

I.1.2 Phần không gian (Space Segment):

I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:

I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

I.1.3 Phần sử dụng (User Segment):

I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng

I.1.3.2 Những bộ phận chính của máy thu GPS

I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS

I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động

I.3.2 Phép định vị tương đối

I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu

I.3.4 Phép định vị động tương đối

I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác

I.3.6 Độ suy giảm chính xác

I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS

I.4.1 Sai số do đồng hồ

I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh

I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất

I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất

I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển

I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển

I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không

I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không

I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian

I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí

I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội

I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY

I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo

I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới

I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO 25

VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS

II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG

II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

II.3 ĐO GPS

II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES)

II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines)

II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)

II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA 38

(Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation) 38

I ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI GPS VÀ THIẾT KẾ ĐỒ HÌNH LƯỚI

1 Độ chính xác lưới GPS

2 Đồ hình lưới GPS

3 Thiết kế lưới GPS

II ĐO GPS

III TÍNH TOÁN KHÁI LƯỢC

IV BÌNH SAI LƯỚI GPS

1 Bình sai mặt phẳng

2 Bình sai độ cao

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 25 Hình 2 25 Hình 3 27 Hình 4 27 Hình 5 27 Hình 6 27 Hình 7 27 Hình 8 27 Hình 9 27 Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu trời trong 24 giờ 28

Hình 11: Số lượng vệ tinh trong từng thời điểm 28

Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong từng thời điểm 28

Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với điểm đặt máy thu 28

Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh 29

Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng 29

Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh 29

Hình 17:Độ chính xác hình học 29

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 Nhànước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xâydựng 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 cókhả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiệnđược Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc vàbản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công cácmạng 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 rấtlớn 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 máybay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEOEXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện naycũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chínhxác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chínhảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chínhcấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ caocác điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựngcác mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đoGPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC,TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASEPROCESSOR, 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

Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đoGPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm

3 chương sau đây:

Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS

Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đoGPS.

Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS

để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng TrimbleNavigation)

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 thốngDOPPLER GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống nàybắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì Trong những nămđầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự Từ đó cácnhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được nhữngthành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Nhữngthành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu vàthiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau

Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạtđược trình độ cạnh tranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tớimức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS baogồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD(Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường hiện naymáy 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 dạnghơn của nó Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra Chế biếncác tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta cóđược các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất Chúng ta có thể nói khảnăng phần mềm là vô tận Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độkhông gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinhchính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa

Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần khônggian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment)

I.1.1 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 trungtâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắcđịa 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 liệucủa 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạmtrung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh Như vậy trongvòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.

I.1.2 Phần không gian (Space Segment):

I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ

Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều cóthể quan sát được 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz vàL2=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 mãC/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã C/A được phát với 2 tần số 10.23 MHz và1.023 MHz Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thôngtin về lịch vệ tinh Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xáccao

Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạtđộng không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả haitrạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe"

I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42MHz và tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc vàđược 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 = 10,23MHz 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 cáctrạm 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 thìđược 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 giấyphép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽkhông 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

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.1.3 Phần sử dụng (User Segment):

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay vàtàu thủy Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số Máythu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 Các máy thu 2 tần sốnhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đotọa 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 dàiđến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầngion trong khí quyển trái đất Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ

I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.

Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 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 máythu Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậykhi 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 đihữu ích Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động khi cần để có thểlợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trìnhnày có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được thiết kế sao cho có thểcung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới ngườiđiều hành Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tínhđộc lập của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệtinh và mức độ tin cậy của độ chính xác

Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cảitiến thiết kế máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu ứng của ăngten khác nhau, hiệuứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triểncác 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 vàhiệu suất thiết bị

I.1.3.2 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 (RF)

* Bộ vi xử lí

* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện

* Thiết bị ghi chép

* Nguồn năng lượng

Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại

chùm sóng rộng , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩaăngten vệ tinh Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên ba chân hoặclắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực sự được xác định là trung tâm Phasecủa ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa

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 khácnhau 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

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.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:

Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó lànguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thốngGPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối củamột điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật này được

mô tả bằng công thức:

p

s p

s p

ở đây: 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 (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 đượcxác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyềnsóng 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 độtuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vìmáy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệtinh chính xác Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xácđịnh 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

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

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

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

số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)

βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là sốhiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)

không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Ns

p , trong đó to là thời điểm bắtđầu đo)

Công thức (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 saocho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p

I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS

I.3.1 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 thểchuyển động Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten tĩnhhoặc 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 khácnhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo vànhận 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 đượcquan 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 quảtheo thời gian thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể cảithiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan trắc có thểđược 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 thờigian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm Mộtchuỗi 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 bằngđường cong trơn

I.3.2 Phép định vị tương đối

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tươngđối Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầucủa cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xáccao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc thườngđồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy Cácsai 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 Remondithuộc 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 máytĩnh 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 (20cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa máythu 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 giácảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất

I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một sốmáy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị Nói chung, một mạng lướiluôn 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 bằngphương pháp hình học Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng củanhững sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các trịquan trắc Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết cáccạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xáccủa các trị số định vị

Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khácthường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quanđến 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 nhấtbằng những công cụ rẻ tiền nhất

I.3.4 Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các phépđịnh vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng Khi đó, cần phải dùng tới kháiniệm định vị phân sai (differential) tương đối ý tưởng chính của phép đo này là dùngmột ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cậpnhững vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển độngtruy 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 sựkhác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự litính được từ vị trí "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổitrông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trongthông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồnghồ.

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tớimáy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực Kếtquả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn vàviệc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay chokhoảng lệch vị trí Số hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng cao độ chính xác và độtin cậy của phép định vị động

Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền tínhiệu và thông báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã đượctruyền qua vệ tinh

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 giảmchính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định

vị và độ chính xác đo, hoặc: σ = DOP σo

Trong đó σo là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)

σ là độ chính xác 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 độchính xác của vị trí điểm Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quantâm 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:

VDOP là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ

HDOP là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D

PDOP là độ chính xác vị trí không gian 3D

TDOP là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian

THDO là độ chính xác mặt phẳng và thời gian

GDOP σo là độ 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 haitổng bình phương hai trục của elip sai số Đó chính là HDOP Nói chung, mỗi DOPđều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậytrên các trục tương ứng với những tham số chúng ta quan tâm

I.3.6 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 hìnhthay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trínày 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 gầnbằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10

I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh

Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luậtKepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường tráiđất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác, sức cảncủa khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời, Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xácđịnh theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ cáctrạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS vàđương 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 vàephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loạiephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi đượcChính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sửdụng Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độcủa điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định

vị tương đối giữa hai điểm

I.4.3 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 truyềntín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch vớibình phương tần số của tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kểbằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độchính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số Xong khi 2 điểm quan sát ởgần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và dovậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn Ảnhhưởng 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 khítượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm Nó có thể được xem là gần như nhau đối với haiđiểm quan sát ở cách nhau không quá vài chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kểtrong 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 chỉquan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời

I.4.4 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 tượngnày 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 mvới 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 quansát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan sát Do vị trí điểm quan sátđược xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của nóphụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so vớiđiểm quan sát để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cáchgiao hội nhân với một hệ số lớn hơn 1 Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội vàđược gọi là hệ số phân tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP) Rõ ràng DOPcàng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác

Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học - GDOP, vì

nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t Hệ

số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt

I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất

Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuậttoán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khácnhau trong công tác trắc địa và bản đồ Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4loại:

- Đo đạc địa chính

- Lập lưới khống chế trắc địa

- Theo dõi độ biến dạng cục bộ

- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ

thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS

Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao Độ chínhxác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km

Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mangGPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới

đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS

Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình)đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km Đối với những ứngdụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắntrong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu domôi trường phản xạ nơi đặt ăng ten Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năngnhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trườngcông nghiệp tiêu biểu

Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ

chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa Sự khác nhau cơ bản giữa việc theodõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợpnày cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khitruyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác

I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất

Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dândụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống Trong việc xácđịnh các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện(được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính

thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống Ứng dụng nàythuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìmkiếm hoặc cứu hộ

Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếucác phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máythu GPS Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyềnđến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình

I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển

Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix)ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi Đối vớicông tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trongkhoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét Để đáp ứng các yêu cầu này cầnphải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụngcác phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang Các ứng dụng trên biển baogồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phaonổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáybiển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể đượcđáp ứng bằng GPS

Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất ) đều cóthể dùng GPS làm công cụ định vị

I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển

Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lýtưởng Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vàimét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướngtrên đường đi) Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên vàphép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông

và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng

sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi

Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng cóthể được đáp ứng nhờ hệ GPS Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàuthuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương

I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không

Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cungcấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh

Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng mộtvài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS Phép xử lý sauvới độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và

do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo Yêucầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trongkhoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau

Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trựctiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze)được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng.Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý saukhi đo

Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy.Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộcảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực

Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị

bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS

I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không

Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã

sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay ICAO - Tổ chức hàng không dân dụngquốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh Ở Việtnam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS

Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc ),những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việcvận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác

về dẫn đường bay

I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian

Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định

vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máythu phát địa lý hoặc trắc địa Thông thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậynguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất.Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh

và phép đo độ cao bằng rada Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đoGPS có thể được dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của cácphương tiện không gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị

rời rạc trong định vị quỹ đạo bay.

I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí

Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm Hiện nay ởmức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể muađược máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeotay) Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp mộtthị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng

I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội

Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểmtheo thời gian thực Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hànghải và trên bộ Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệthống dẫn đường tích hợp Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát

mỗi điểm đo;

thu tín hiệu như trước đây;

tín hiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặtquanh antenna;

do quỹ đạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu

Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 chođến nay như sau:

I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo

Trong công nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắcphục đã được áp dụng như sau:

Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếuvào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange Vì vậy, thông thường toạ

độ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ chính xáckhoảng từ 10 m tới100 m Toạ độ này có vai trò rất quan trọng trong việc tính toán gia

đầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của ∆X, ∆Y, ∆Z có thể tăngthêm được 1 dm Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới

cỡ 2 m để có được các base line có độ chính xác cao Để khắc phục các sai số nàyngười 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, nhưng cách này không tiện dùng vìphải chờ đợi trong thời gian không ngắn

Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thểhiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độchính xác đạt được tới 1 m Độ chính xác này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã

so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ theo các base line từ

1 điểm gốc toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế

Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệRTCM với các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cốđịnh toàn cầu Công nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chínhxác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo

Sai số do môi trường truyền sóng: Môi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai

số chủ yếu trong quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu:

Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từkhoảng không vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển Sai số này không gây ảnhhưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cáchdài Để khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc trên khoảng cách dài

Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớpkhí quyển gần mặt đất Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn màkhông đáng kể trên khoảng cách dài Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất,

độ ẩm để tính số hiệu chỉnh Đến nay các phần mềm đã sử dụng số hiệu chỉnh theo môhình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh do nhiệt độ, ápsuất, độ ẩm

Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do cácnguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóngGPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna Để khắc phục sai số này người ta đãcải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộlọc trong phần mềm (cả firmware và software).

Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữađồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độchính xác kết quả đo GPS Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làmngay được, ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử như trên vệ tinh, nhưng như vậykhông ai chấp nhận được giá thành máy thu Người ta chỉ có thể cải tiến các đồng hồthạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ vớiđồng hồ vệ tinh

Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được cácbase line có độ chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990 Các trị đo GPS cạnhdài đã nâng được độ chính xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến1/200.000.000 như hiện nay đạt được

I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới

Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số

đo Người ta tập trung vào 2 giải pháp sau đây:

Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có được

để loại trừ sai số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tínhiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị

đo giữa các điểm mặt đất Sử dụng hiệu bậc mấy để có một lời giải base line chứa sai

số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian Hãng GPS hàng đầuTRIMBLE đã đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn

1990 - 1994, đến 1995 họ đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả caohơn nhiều

Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thờigian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ cònnhiễu ngẫu nhiên Trong phần mềm mới GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa đượcvào nhiều bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý các base line

I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS

Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương pháp

đo tĩnh Như trên giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ chính xác GPS