Giáo trình Hàng hải Địa văn - P7

Giáo trình Hàng hải Địa văn TS. Lê Văn Ty ĐH Giao thông vận tải TpHCM Mục lục: Chương 1: Khái niệm cơ bản về trái đất Chương 2: Xác định phương hướng trên biển Chương 3: Xác định quãng đườn

Hang hdi dia van 102 Lé Van Ty

HE THONG GPS

I- Giới thiệu hệ thống:

_ Hệ thống NAVSTAR GPS là một hệ thống định vị toàn cầu, cung cấp khẩ

năng định vị trong không gian 3 chiều với độ chính xác cao Hệ gồm có 3 khâu:

1- Khâu không gian:

- Gồm 24 vệ tỉnh , trong đó có 3 vệ tỉnh dự trữ Các vệ tỉnh quay quanh trên các quỹ đạo tròn Các quỹ đạo này nằm trên 6 mặt phẳng , mỗi mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng

xích đạo 55°

- Độ cao của vệ tỉnh :20.200 km

- Chu kỳ (thời gian quay quanh quỹ đạo) của mỗi vệ tinh là 718 phút (12h)

Với cách bố trí như vậy thì vào bất kỳ thời điểm nào cũng xuất hiện ít nhất 4 vệ tỉnh trên bầu trời quan sá»với độ cao >5° trên mặt phẳng chân trời, và việc sử dụng xác định vị trí tàu là

hết sức thuận tiện

- Để phục vụ cho việc định vị, hệ thống GPS phát sóng ở 2 tần số L,=1575,42MHz (bằng 154 lần tân số đồng hổ: 10,23 MHz) ; và tần số L,=1227,6 MHz (bing 120 lan tan so đồng hỏ) Các vệ tỉnh còn hoạt động trên những tần số khác để phát và thu nhận đữ liệu từ khâu điều khiển 2 tần số L1 và L2 lại được điểu biến thành các mã ngầu nhiên (Pseudo- random Codes: PRN) Mã ngẫu nhiên là một chuỗi sắp xếp ngẫu nhiên của 2 số: 1; O Mỗi vệ

tỉnh có mộ mã ngẫu nhiên của mình Mã PRN có mục đích:

+ Nhận dạng vệ tỉnh

+ Giúp máy thu chặn từng vệ tỉnh lại để đo đạc

- Mã ngẫu nhiên được phát ở hai chế độ là chế độ quân sự, kí hiệu là P và chế độ dân sự C/A + Chế độ P phát với chiều đài mã là 267 ngày với mục đích gây khó khăn trong truy nhập mã, và với độ chính xác rất cao trong việc định vị (Tuy nhiên người ta đã phân đoạn

mã thành mỗi đoạn là 7 ngày Tại cùng một thời điểm mỗi vệ tỉnh phát các đoạn mã khác

nhau nên chúng không gây giao thoa lẫn nhau và không lặp lại hàng tuần Vào cuối ngày thứ

bẩy mỗi vệ tỉnh sẽ phat các bản tin khác của mã)

+ Chế độ C/A để định vị tiêu chuẩn, mã này có chu kỳ chỉ hàng trăm giây và tần số chip

ngắn (10.23 MHz)

2- Khâu điều khiển:

Khâu điều khiển bao gồm các trạm điều khiển trên mặt đất để điều khiển và giám sát vệ tỉnh Nó gồm một trạm chủ đặt tại Colorado Spring (Mỹ) có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ vệ _ tinh, dự đoán tính năng hàng hải và sản xuất lịch vệ tỉnh 4 trạm khác làm nhiệm vụ như những trạm giám sát có nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, thu nhận đữ liệu khoảng cách để cung cấp

thông tin vẻ lịch quỹ đạo Trong đó có 3 trạm có anten phát để chuyển đữ liệu hàng hải và

lệnh cho vệ tinh Tần số phát lên vệ tinh là 1783/74 MHz, tần số nhận từ vệ tỉnh là 2227,5

MHz Các trạm này được trang bị đồng hồ nguyên tử và máy thu bội kênh để nhận tín hiệu vệ tinh và các bản tin hàng hải trên tần số L¡ và Lạ, để hiệu chỉnh độ trễ ¡-on, độ chính xác của

đồng hồ vệ tỉnh v v

Hang hai dia van 1¢3 Lê Văn Ty

Các trạm giám sát điều khiển để vệ tỉnh cung cấp cho người sử dụng những bản tin

đúng

- Các trạm giám sát theo dõi tất cả các vệ tỉnh có độ cao >5° trên chân trời nhưng chi sit -

đụng những vệ tỉnh >10+15° để tránh các sai số do độ trễ ở tầng đối lưu

- Bộ điều khiển chính với bộ lọc Kalman để sử ly đữ liệu và điều khiển hoạt động toàn

cầu Đồng hồ ở trạm điều khiển là đồng hê chuẩn , chi gid PGS Trạm chính thu nhận tất cả

các dữ liệu của tram quan sát, hiệu chỉnh và tính toán quỹ đạo tương lai cho vệ tỉnh, có thể

đưa cá vệ tỉnh dự trữ vào hoạt động Cứ 3 lần mỗi ngày thông qua trạm dẫn động các bản tin

hàng hải lên vê tỉnh

3- Khânsứdụng:

Bao gồm tất cả các máy thu Mỗi máy thu nhận tín hiệu 3 -4 vệ tinh và tính toán vị trí

- Máy thu có các nhiệm vụ:

+ Lựa chọn chòm sao vệ tỉnh thích hợp để xác định vị trí

+ Nhận tín hiệu điều biến mã PRN và các đữ liệu hàng hải từ vệ tỉnh đã chọn

+ Do 46 trễ thời gian của tín hiệu

I Nguyên lý xác định vị trí tàu bằng GPS

1 Các phương pháp xác định vị trí tàu bằng vệ tỉnh

Có nhiều phương pháp khi sử dụng hệ thống vệ tỉnh hàng hải để xác định vị trí tàu

a) Và phương điện hình học có các phương pháp sau:

-Phương pháp đo độ cao vệ tỉnh

-Phương pháp đo khoảng cách nghiêng đến vệ tỉnh

-Phương pháp đo vận tố hướng tâm

-Phương pháp đo hiệu khoảng cách

b) Về phương diện kỹ thuật vô tuyến

-Đo biên độ và pha để xác định hướng ngắm đến vệ tỉnh

-ĐÐo pha và thời gian để xác định khoảng cách tới vệ tỉnh

-Đo tần số để xác định vận tốc hướng tâm và hiệu khoảng cách

c) Dựa vào các loại đường đẳng trị :

.- Phương pháp đo độ cao vệ tỉnh: ta có vòng đẳng cao (khác thiên văn ở chỗ là gia tri

gradien khác 1, phụ thuộc vào độ cao vệ tỉnh)

- Vận tốc huớng tâm: Đường đẳng trị Doopler ( là vết cắt của hình chóp nón và trái đất

- Phương pháp hiệu khoảng cách: Đường đẳng trị là 1 #ypebol, là vết cắt của mặt hypebol đẳng trị hiệu khoảng cách tối 2 vệ tỉnh S1, S2 và trái đất hình cầu

| làng hải dịa văn 104 :- _ Lê Văn ly

2- Xác định vị trí bằng hệ thống GPS

Hệ thống GPS sử dụng phương pháp đo khoảng cách tới các vệ tỉnh để xác định vị trí Việc do khoảng cách dược thực hiện bằng việc đo lượng thời gian truyền tín hiệu từ

vệ tỉnh đến máy thu

Giả sử thời gian truyền là t thì khoảng cách D= Cx:

- Vị trí vệ tỉnh trên quỹ dạo đã biết qua trạm điều khiển, giả sử chúng ta cách vệ tỉnh 1 khoảng cách ID nghĩa là có một mặt cầu dẳng trị có tâm là vệ tỉnh, bán kính là D Mặt cầu này cẮt trái đất tạo thành một vòng tròn đẳng trị có tâm là cực chiếu của vệ tỉnh và bán kính

là d Nếu có 2 vòng tròn dang trj cAt nhau thi cho ta vj tri x4c dinh F(H 20 )

Với tàu biển: tín hiệu từ vệ tỉnh được thu qua anten tàu, để xác dịnh một vị trí ta chỉ

cần hai đường vị trí nhưng với hệ thống GPS để có được vị trí ta cần 3 đối số: kinh độ, vĩ độ,

và giá trị hiệu chỉnh dồng hổ máy thu Để giải quyết vấn để này ta cần đo khoảng cách giả phụ tới vệ tỉnh thứ 3 (nghĩa là ta cần phải có 3 vệ tỉnh quan sát được động thời) Điều này trong thực tế không có gì gặp khó khăn vì ta luôn quan sát được nhiều hơn 4 vệ tỉnh

HH 2ö V{tr(rần TÀ giaa củ 2 vòng đẲng cao

Di với hàng không : VỊ tr củn 1 điển trong không gian địyk: XÁC định theo 4 chiến

nên cần 4 vệ tỉnh để định vị và kiểm tra độ chỉnh xác

Phuơng trình khoảng cách

Giả sử vệ tỉnh phát tin hiệu theo thời gian GDS tại thời điểm 7%, thời điểm này được truyền đến tất cả các máy thu của người sử dụng, Khi đến máy thu thì đổng hồ máy thu chỉ

giá trị là Tu Nếu hai đồng hổ này đồng bộ thì khoảng cách myềnH tín hiệu là D=Cx (Tu-Ts)

Hang hdi dia van 105

L& Van Ty

- Tuy nhiên đồng hổ máy thu có độ trễ chưa biết so với đồng hỏ vệ tỉnh, giả sử là 7b

CT bias)— khi đó khoảng cách thực sẽ là Dt = C(Tu-Ts) +C x Tb =

| i at ve Cđu#fbcf sa

tí, > ¬> ‡ '

;

Thời gian GPS t=0 ts ; i

{

}

to Tu

sử

ca

t

H 24 Thời gian truyền tín hiệu từ ve tinh đến máy (li

IHI- Độ chính xác của hệ thống

Dang: Cac nguda sai sé tong GPS

Sai số độ trễ tổng điện ly —_ we —_ L3 210

Ssố BPTE của vị trí theo phương ngang (HI2OP =1.5) 21 — 42

Ss6 BPTB của vị trí theo mật phẳng đứng (2) Giả sử | 36 ` 170

VDOP =2.5

Sự tương quan hình học gia các vệ tỉnh và máy tim cũng gầy nên những sai số trong

—_ Vị trí xác định

Nếu gọi Šz là hệ số hình học , Mm là sai số hệ thống —> sai số vị trí tàu sẽ là

- Khi hai vệ tình có đường nổi với indy thu tạo thành góc 90° thì vị trí cliúnh xác nhất

Trên mặt máy tìm GPŠ thông báo cho ta hệ số suy gidm độ chính xác theo phương

ngang (HDOP) , qua đó ta biết được độ chính xác của vị trí xác định Ví dụ trong máy thu

&

Hàng hải dia van 106 Lê Văn Ty

KODEN KGP-911 giá trị HDOP cho từ 0 — 20 Nếu giá trị từ 1-6 là tốt, từ 6-12 là bình thường

mm và từ 12-20 thì độ chính xác của vị trí xác định kém, ta không nền sử dụng Trong hàng hải

- chúng ta quan tâm đến HDOP (Horizon Dilution Of Precision)

'

t

Ị

H 42 Anh buBag của HDOP đến độ chính xác vị trí xác định

ˆ `

Đối với hải đồ đi biển ở mỗi nước khác nhau người ta đã xây dưng theo một mốc chuẩn nào đó để đo đạc địa lý.Trong GPS người ta sử dụng hệ trắc địa thế giới 1984 ( WGS- 84) để tính toán tọa độ Nếu trong khi hành hải mà sử dụng các loại hải dé khác thì độ chính xác kém hơn (Các khuyến cáo có thể được ghi ở góc mỗi hải đổ để lưu ý người sử dụng)

- Trong máy thu thường có 8 hệ thống lập sẵn cho ta có thể lựa chon dé si? dụng hệ tọa

độ thích hợp khi sử dụng hải để khác hệ WGS-84 (chỉ dẫn cho trong quyển hướng dẫn sử dụng máy)

= Độ chính xác của hệ thống khi xác định vị trí tàu phụ thuộc vào:

+ Thu mã P hay C/A

+ Sai số trong quỹ đạo dự đoán của vệ tỉnh

+ Trễ tín hiệu do khúc xạ tầng ion và đối lưu

+ Sai số trong do lường thời gian tín hiệu mã hóa giữa vệ tỉnh và máy thu + Tương quan hình học giữa vệ tỉnh máy thu

Một trong những sai số đáng kể là sai số do ý định của Mỹ nhằm khống chế độ chính

xác của vị trí xác định (có thể gây sai số lịch vệ tỉnh, sai số quỹ đạo vệ tỉnh, sai số trong đồng

hồ ).Thường gọi là sai số S/A (Selecive Avaiability) Đối với mã C/A, hiện nay Mỹ khống

chế độ chính xác trong phạm vi 100 mét

VI PHAN GPS

Để nâng cao độ chính xác của vị tí xác định, đặc biệt quan trong đối với những vị trí của tầu thuyền tại các khu vực đầu luồng, khu vực gần bờ nguy hiểm, đối

với hàng không phục vụ cho việc hạ cánh của máy bay và tránh bị lệ thuộc vào sự

Hàng hải địa văn _ 107 Lê Văn Ty

khống chế của chủ các hệ thống GPS, người ta lắp đặt hệ thống vi phân GPS Tiếng Anh viết tắt là DGPS

DGPS dựa trên cơ sở sau:

Giả sử chúng ta có một trạm tham khảo đặt tại một vị trí nào đó mà tọa độ địa lý của

nó được biết một cách hoàn toàn chính xác Trạm tham khảo này có nhiệm vụ thu các tham

số của GPS, so sánh tọa độ thu được với vị trí của mình, tính toán các số hiệu chỉnh, các

nguồn sai số.Sau đó trạm tham khảo phát cho các máy thu của người sử dụng các số hiệu chỉnh để họ dùng hiệu chỉnh và tính toán vị trí

II NGUYÊNLÝ HOẠT ĐỘNG

Hệ thống DGPS gồm các thành phần sau:

1, Trạm tham khảo:

Trạm gồm một máy thu GPS chất lượng cao, quan sát liên tục và tính toán số hiệu chỉnh Sau khi xử lý trạm sẽ lập bản tin và phát cho trạm liên lạc, cho các máy thu với tốc độ

_ nhanh nhất và độ tin cậy cao Trạm cũng phát số hiệu chỉnh khoảng cách giả (khoảng cách được đo qua tín hiệu vệ tỉnh) cho các máy thu trong vùng bao phủ của mình

2 Trạm điểu khiển

Trạm được nối với các trạm giám sát và trạm tham khảo trong khu vực bằng một mạng thông tin dữ liệu Mỗi trạm có khả năng điều khiển toàn bộ mạng trong trường hợp khẩn cấp hoặc với mục đích bảo dưỡng

3 Trạm giám sát tổng hợp

Trạm có máy thu vi phan DGPS va máy tinh Trạm được đặt bao trum khu vực các trạm tham khảo với phạm vi lớn hơn 10% Máy tính kiểm tra việc phát đữ liệu hiệu chỉnh và

việc phát các tín hiệ€?khác Trạm liên lạc với máy thu tham khảo GPS bằng một kênh đữ

liệu ứng với chế độ thời gian thực và liên tục thông báo cho trạm thu tham khảo tình trạng của

việc phát tín hiệu trong vùng

4 Máy thu GPS

Máy thu của người sử đụng thu các dữ liệu GPS thông thường và còn có khả năng thu nhận các thông tin từ trạm tham khảo và các gía trị hiệu chỉnh

TI PHƯƠNGPHÁP THỰC HIỆN VIPHÂN GPS

Có hai phương pháp kỹ thuật cơ bản được sử đụng trong DGPS để hiệu chỉnh đữ liệu

1 Phương pháp 1:

Hang hdi dia van 108 Lê Văn Ty

Trạm tham khảo phát tín hiệu về số hiệu chỉnh khoảng cách gỉa cho người sử dụng xử

lý

Trong trường hợp này, trạm tham khảo không cần biết máy thu người sử dụng đang quan sát chòm vệ tỉnh nào (vì khoảng cách gỉa của máy thu tham khảo đang quan sát là của tất cả các vệ tỉnh mà nó quan sát được trong vùng) Mỗi máy thu của người sử dụng đang tham gia hiệu chỉnh tự lựa chọn các số hiệu chỉnh thích hợp để tính toán vị trí của mình

Ưu điểm của phương pháp này là số người sử dụng không hạn chế Người sử dụng hoàn toàn độc lập trong việc lựa chọn vệ tính để xác định vị trí với giả thiết trạm tham khảo phát tất cả các số hiệu chỉnh đối với toàn bộ vệ tỉnh nó quan sát được

Tầm hoạt động của phương pháp này lớn vì không phải quan tâm nhiều đến tuơng quan hình học giữa máy phát và máy thu ở tàu (tầm hiệu qu3a khoảng 200 km)

Nhược điển là công suất phát phải lớn và phải có các thỏa thuận kết hợp đữ liệu hiệu

chỉnh giữa trạm tham khảo và các tàu có máy thu Về quan điểm kỹ thuật thì phương pháp

này khó phát vì máy thu và phần mềm của mát thu trên tàu phải đòi hỏi tương thích

2 Phương pháp 2:

Phát số hiệu chỉnh vị trí cho máy thu của người sử dụng xử lý

Vị trí máy thu tham khảo biết trước, số hiệu chỉnh được tính toán dựa vào sự sai khác giữa tọa độ địa lý trạm và vị trí cho trên máy thu GPS Các sai số này về toạ độ theo các hướng là Ax, Ay, Az sẽ được phát đ9a2c63 máy thu người sử dụng xử lý theo giải pháp của

Ut diém: Dif liéu hiéu chinh vi tri được phát theo thiết bị của người điều khiển Tuy

phương pháp này chịu ảnh hưởng của vị trí hình học giữa trạm tham khảo và máy thu người sử

dụng nhưng thực tế hàng hải người ta chỉ cần đùng khi ra vào cảng, hàng hải ven bờ nên yếu

tố hình học không cần quan tâm Dễ phát hơn phương pháp hiệu chỉnh khoảng cách giả

Nhược điểm là công suất phát lớn Trong phương pháp này thì máy thu trạm tham

khảo và máy thu trên tàu phải sử dụng chung tổ hợp vệ tỉnh Hiện nay việc làm này chỉ được

thực hiện bằng thao tác tay và tự người sử dụng chọn chòm vệ tinh để quan sát So với phương

pháp I thì phương pháp này chịu ảnh hưởng của sai số S/A nhiều hơn do phải phối hợp các vệ

tỉnh trong chòm Cũng vì vậy việc điều khiến sai số phức tạp hơn

Hàng hải dia van

lê Văn Ty

Bảng: Nguồn sai số DGPS

Kết qủa độ chính xác vị trí

Sai số BPTB của vị trí

os