Nghiên cứu các phương pháp xác định độ trễ điện ly phục vụ xử lý gps chính xác cao

MSHV : 02205533 I- TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ TRỄ ĐIỆN LY PHỤC VỤ XỬ LÝ GPS CHÍNH XÁC CAO II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Giới thiệu tổng quan về cơ sở định vị

Trang 1

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN NGỌC LÂU

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS ĐÀO XUÂN LỘC

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS LÊ TRUNG CHƠN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày 03 tháng 01 năm 2008

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Tp HCM, ngày tháng 11 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : HỒ NGUYỄN HOÀNG VŨ Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 20/08/1979 Nơi sinh : Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Trắc Địa MSHV : 02205533

I- TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

ĐỘ TRỄ ĐIỆN LY PHỤC VỤ XỬ LÝ GPS CHÍNH XÁC CAO

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Giới thiệu tổng quan về cơ sở định vị trong hệ thống GPS

- Tìm hiểu về ảnh hưởng của tầng điện ly vào tín hiệu GPS và các phương pháp khắc phục

- Khảo sát cự ly giới hạn của máy thu GPS một tần số tại Thành phố Hồ Chí Minh

- Xây dựng mô hình độ trễ điện ly từ trị đo pha GPS và đánh giá độ tin cậy mô hình vừa lập, so sánh với mô hình độ trễ điện ly thông dụng : mô hình Klobuchar và mô hình chính xác của tổ chức IGS

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/11/2007 V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN NGỌC LÂU

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Chân thành bày tỏ lòng biết ơn TS Nguyễn Ngọc Lâu (Trưởng phòng Thí nghiệm Bộ môn Địa Tin Học khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ĐH Quốc Gia Tp.HCM) đã dành nhiều tâm huyết, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc siõ này

Chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong học tập cũng như trong nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình học tại trường

Chân thành cảm ơn các đồng nghiệp thuộc Xí nghiệp TVTK Đường Bộ_Công ty cổ phần TVTK GTVT phía Nam_TEDI South và Công ty TV Điện 3 đã tạo điều kiện tốt cho tôi về trang thiết bị máy đo GPS và tác nghiệp ngoài hiện trường, giúp tôi thực hiện công tác thu thập số liệu làm luận văn

Trang 4

MỤC LỤC

-o0o -

CHƯƠNG 0 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 0.1 KHÁI QUÁT VỀ GPS Trang 1 0.1.1 Bộ phận không gian 2

0.1.2 Bộ phận hệ thống trạm điều khiển GPS 3

0.1.3 Bộ phận người sử dụng 4

0.1.4 Ứng dụng GPS 4

0.2 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 6

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ ĐỊNH VỊ TRONG HỆ THỐNG GPS 1.1 TÍN HIỆU VÀ TRỊ ĐO GPS 8

1.1.1 Tín hiệu GPS 8

1.1.1.1 Hai sóng tải L-band 9

1.1.1.2 Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải PRN 10

1.1.1.3 Thông điệp phát tín hàng hải (bản lịch vệ tinh) 10

1.1.2 Trị đo GPS 13

1.1.2.1 Trị đo khoảng cách từ mã PRN 13

1.1.2.2 Trị đo khoảng cách từ sóng tải 14

1.2 NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH 16

1.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG GPS 19

1.3.1 Sai số quĩ đạo vệ tinh 21

1.3.2 Sai số đồng hồ vệ tinh 21

1.3.3 Sai số tầng điện ly 23

1.3.4 Sai số tầng đối lưu 24

Trang 5

1.3.5 Sai số đồng hồ máy thu 25

1.3.6 Sai số hiện tượng đa đường 25

1.3.7 Độ nhiễu máy thu 26

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY VÀO TÍN HIỆU GPS VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC 2.1 SỰ HÌNH THÀNH TẦNG ĐIỆN LY 27

2.1.1 Sự phân chia giữa các tầng điện ly 28

2.1.2 Sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GPS 30

2.1.3 Tổ hợp không bị ảnh hưởng tầng điện ly L3 39

2.2 CÁC MÔ HÌNH HIỆU CHỈNH TẦNG ĐIỆN LY 41

2.2.1 Mô hình Klobuchar 41

2.2.2 Mô hình chính xác IGS 45

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT CỰ LY GIỚI HẠN CỦA MÁY THU GPS MỘT TẦN SỐ 3.1 THIẾT KẾ BÃI ĐO THỰC NGHIỆM 49

3.2 QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU 50

3.2.1 Thiết bị dùng để thu thập dữ liệu 50

3.2.2 Thời gian thực hiện 51

3.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO 52

3.4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 56

3.5 KẾT LUẬN 59

Trang 6

CHƯƠNG 4

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘ TRỄ ĐIỆN LY

TỪ TRỊ ĐO PHA GPS

4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÀNH LẬP

MÔ HÌNH ĐỘ TRỄ ĐIỆN LY 61

4.1.1 Thành lập công thức tính giá trị độ trễ điện ly 62

4.1.2 Khôi phục giá trị b4 64

4.1.3 Tính các giá trị IZD 65

4.2 THIẾT KẾ LƯỚI GPS VÀ QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU 66

4.2.1 Thiết kế lưới GPS 66

4.2.2 Thiết bị sử dụng và thời gian thu thập dữ liệu 67

4.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU 69

4.3.1 Tính IZDIGS theo mô hình IGS 70

4.3.2 Kết quả xử lý số liệu .75

4.4 NỘI SUY MÔ HÌNH 81

4.5 KẾT LUẬN .83

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 CÁC VẤN ĐỀ ĐẠT ĐƯỢC 87

5.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 88

5.3 NHỮNG KHÓ KHĂN VÀ HẠN CHẾ 88

5.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 89

Trang 7

PHẦN PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1 :

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH

“MH_Dotredienly.exe” 90 PHỤ LỤC 2 :

CÁC BIỂU MẪU FILE SỐ LIỆU 101 PHỤ LỤC 3 :

KẾT QUẢ CÁC GIÁ TRỊ HỆ SỐ A VÀ IZDnội suy 106 PHẦN :

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

Trang 8

CHƯƠNG 0 CHƯƠNG MỞ ĐẦU

0.1 KHÁI QUÁT VỀ GPS

GPS có tên đầy đủ tiếng Anh NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hệ thống này luôn luôn sẳn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết

GPS là kết quả phối hợp của hai đề án độc lập được bắt đầu vào những năm 1960 : Chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ (US Admiraty) và Đề án 621B của Không lực Mỹ (US Air-Force) Vệ tinh đầu tiên được phóng vào quĩ đạo năm 1973 nhằm thay thế hệ thống TRANSIT trước đó đã hoạt động hơn 20 năm

GPS trước hết là một hệ thống hàng hải quân sự, được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ (Dod – US Deparment

of Defence) GPS được sử dụng cho mục đích dân sự vào năm 1984 và hiện nay GPS được sử dụng miễn phí cho cộng đồng dân sự, nhưng trong một giới hạn về độ chính xác

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có 3 bộ phận :

+ Bộ phận không gian

+ Bộ phận hệ thống các trạm điều khiển

+ Bộ phận người sử dụng

Trang 9

0.1.1 Bộ phận không gian

Theo thiết kế ban đầu của Bộ Quốc Phòng Mỹ, hệ thống định vị vệ tinh GPS có các đặc tính sau :

- Các vệ tinh quay quanh trái đất ở đạng các quĩ đạo gần tròn, điều này đảm bảo việc thu nhận tín hiệu tốt của các máy thu từ vệ tinh

- Tổng số 21 vệ tinh theo thiết kế và 3 vệ tinh dự trữ đã được phóng đầy đủ và phân bố đều trên 6 mặt phẳng quĩ đạo và có góc nghiêng của so với mặt phẳng quĩ đạo là 550

- Các vệ tinh có độ cao khoảng 20200 km so với mặt đất

Hình 0.1 Hình minh họa các vệ tinh quay quanh trái đất Nhiệm vụ chủ yếu của các vệ tinh khi được phóng lên quĩ đạo là nhằm thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển, đồng thời cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh Nhưng nhiệm vụ quan trọng nhất của vệ tinh GPS là truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng các máy thu GPS Chính điều này, giúp GPS ngày nay trở thành phương tiện, công cụ truyền thông rất hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như trong sản xuất ở nhiều quốc gia trên thế giới

Trang 10

0.1.2 Bộ phận hệ thống trạm điều khiển GPS

Để có thể theo dõi, quan trắc các vệ tinh GPS và truyền dữ liệu này về trạm điều khiển chính (Master Control Stration - MCS), hệ thống các trạm GPS được thiết kế và lắp đặt tại các vị trí khắp nơi trên thế giới Đầu tiên, Không lực Mỹ đã đặt 5 trạm quan trắc tại Colorado Springs (Tây Bắc Mỹ) , Hawaii (Đông Thái Bình Dương), Ascension (Nam Đại tây Dương), Diego Garcia (giữa Aán Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) Các trạm này được mang tên đầy đủ là Air-Force Tracking Station

Trong 5 trạm nói trên thì trạm Colorado Springs là trạm điều khiển chính Sở dĩ cần đến bộ phận điều khiển là vì quĩ đạo vệ tinh không tuân thủ đúng theo định luật của Kepler do trái đất có kích thước xác định (không phải là chất điểm) lại có mật độ phân bố vật chất không đồng đều, chịu áp lực của mặt trời, kết quả quĩ đạo chuyển động của vệ tinh không phải là elip do vậy không thể dùng công thức giải tích để tính trước tọa độ của nó Chính bộ phận điều khiển có nhiệm vụ xác định chính xác tức thời của vệ tinh để cung cấp cho người sử dụng trên cơ sở đó để xác định tọa độ của điểm quan sát, ở đó dữ liệu quan trắc được xử lý để tính toán bản lịch vệ tinh và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh (trạm này cũng khởi động mọi hoạt động của mảng không gian chẳng hạn như bảo quản đồng hồ vệ tinh)

Hình 0.2 Hệ thống các trạm điều khiển GPS

Trang 11

Sau khi đưa 5 trạm nói trên vào hoạt động, Cục Bản đồ và ảnh Quốc gia Mỹ (NIMA – National Imagery and Mapping Agency) đã thiết lập bổ sung thêm 07 trạm quan trắc nữa tại Washington D.C (Đông Bắc Mỹ), Ecuador (phía Bắc của Nam Mỹ), Argentina (phía Nam của Nam Mỹ), Anh (Tây Âu), Barain (Trung Đông Châu Á), Bắc Kinh (Trung Quốc), Australia (phía Nam của Austrailia) Các trạm này có tên là NIMA Tracking Station

Như vậy, cho đến nay (năm 2007) có tổng số 12 trạm phục vụ cho công tác theo dõi, quan trắc vệ tinh GPS trên quĩ đạo

0.1.3 Bộ phận người sử dụng

Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự Các máy thu riêng biệt theo dõi các mã hoặc pha của các sóng mang (hoặc cả hai) và trong hầu hết các trường hợp điều thiết nhận các thông tin điện tín Bằng cách so hàng tín hiệu đến từ vệ tinh với bản sao mã phát ghi được trong máy thu, người ta có thể xác định được cự ly đến đến vệ tinh Nếu các cự ly tới 4 vệ tinh được liên kết với các thông số quỹ đạo (cần cự ly thứ 4 để tính toán hiệu chỉnh đồng hồ trên máy thu) thì máy thu có thể xác định 3 giá trị tọa độ địa tâm của điểm

0.1.4 Ứng dụng của GPS

Lúc đầu, Bộ Quốc Phòng Mỹ khi thiết kế và phóng lên quĩ đạo các vệ tinh nhằm phục vụ cho mục đích giao thông hàng hải, giúp các tàu thuyền có thể định vị, xác định vị trí khi lưu thông trên biển dễ dàng mà không nghĩ rằng, GPS có thể đem lại nhiều lợi ích và đạt được độ chính xác cao như ngày nay

Trang 12

Hiện nay, cùng với các ưu điểm của GPS như các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay lục địa để ứng dụng định vị thời gian thực và vị trí bất kỳ không chỉ trên biển mà còn ở trên mặt đất, trong không gian cho đối tượng đứng yên hay chuyển động và đặc biệt là có thể xác định vào bất cứ thời điểm nào trong 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết

Hình 0.3 GPS dùng cho mục đích hàng hải GPS được ứng dụng trong các ngành hàng không dùng để điều khiển hướng bay, trong thông tin liên lạc, trong ngành giao thông hàng hải, giao thông đường sắt, giao thông đường bộ, trong lãnh vực viễn thám, GIS như xây dựng bản đồ, thu thập các lớp dữ liệu chuyên đề, giám sát các đối tượng

di động, ứng dụng định vị địa lý, ứng dụng địa động lực học, theo dõi sự chuyển động của lớp vỏ trái đất, … Trong đó, việc ứng dụng GPS trong lãnh vực Trắc Địa được xem là bước đột phá, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành này, giúp cải tiến phương pháp đo truyền thống như không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo, độ chính xác định vị cao và ngày một được cải thiện … Bên cạnh đó còn có công nghệ đo động RTK giúp cho việc xác định vị trí của một đối tượng được dễ dàng và chính xác như ứng

Trang 13

dụng GPS đo động trong công tác quản lý Taxi, tìm đường đi thông qua công nghệ bản đồ GPS MAP, …

0.2 TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Với những tính năng ưu việt của GPS, vào đầu thập niên 90, công nghệ kỹ thuật định vị GPS đã được đưa vào áp dụng tại Việt Nam bởi GS.TSKH Đặng Hùng Võ nhằm góp phần cải thiện phương pháp đo đạc Trắc Địa ở Việt Nam Thiết bị GPS đầu tiên được sử dụng là loại GPS 1 tần số được dùng để lập 3 lưới GPS cạnh ngắn và sau đó giai đoạn tứ năm 1992 –

1994 công nghệ GPS 2 tần số được sử dụng để thành lập lươí cạnh dài – lưới biển, đến giai đoạn 1995 – 1996 thành lập lươí cấp “0”

Hiện nay, công nghệ GPS đã trở nên thông dụng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lãnh vực khoa học kỹ thuật cũng như là sản xuất của các công

ty, đơn vị trong lãnh thổ Việt Nam và là một công cụ không thể thiếu của các công ty Trắc địa & Bản đồ

Các bộ máy thu GPS của các hãng sản xuất nổi tiếng trên thị trường Việt Nam có thể kể ra như TOPCON, WILD, TRIMBLE, LEICA … Tuy nhiên, nguồn tài liệu phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu các trị đo GPS thu nhận được từ vệ tinh là khá khan hiếm, đặc biệt là các ảnh hưởng sai số đo trong quá trình thu nhận tín hiệu từ vệ tinh như ảnh hưởng tán xạ, độ trễ của tầng điện ly, ảnh hưởng của tầng đối lưu, ảnh hưởng của hiện tượng đa đường đối với tín hiệu đã mã hóa,

Trong điều kiện đặc thù của Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong vành đai xích đạo, nơi có ảnh hưởng của tầng điện ly mạnh nhất đối với các tín hiệu GPS thu nhận được từ vệ tinh thì càng cần phải nghiên cứu xem xét sự ảnh hưởng này Đối với các bộ máy thu GPS 2 tần số (hay còn gọi là tần số

Trang 14

kép, thu nhận được cả hai tần số L1, L2) thì các ảnh hưởng của tầng điện ly có thể khắc phục được Ngược lại, đối với các bộ máy thu GPS 1 tần số (hay còn gọi là tần số đơn, chỉ thu nhận được tần số L1) thường cho kết quả định vị

bị sai lạc bởi thời trễ của tầng điện ly, mặc dù ảnh hưởng này có thể khắc phục được trên khoảng cách ngắn qua phép định vị tương đối có thể cho độ chính xác cao với giới hạn đường đáy là khoảng 10Km, nhưng trong điều kiện ở Việt Nam thì cần có những nghiên cứu để khẳng định lại giới hạn này Đây là vấn đề mà trong tất cả các qui trình, qui phạm hiện hành của Tổng Cục Địa chính (nay là Bộ Tài Nguyên – Môi Trường) cũng như các tài liệu có liên quan về việc ứng dụng công nghệ GPS chưa có tài liệu nào nêu rõ

Do đó, giới hạn của đường đáy khi dùng máy thu GPS 1 tần số với chế độ đo tĩnh (Static) thì cự ly và thời gian thu nhận tín hiệu là bao nhiêu thì kết quả giải đa trị cho nghiệm chính xác là điều cần nghiên cứu, xác định đồng thời nghiên cứu các phương pháp xác định độ trễ điện ly, xây dựng một mô hình độ trễ điện ly liên tục theo không gian và thời gian từ những giá trị rời rạc của mạng lưới GPS thường trực hai tần số Mô hình này sẽ được dùng để nội suy độ trễ điện ly cho một vị trí và thời điểm cụ thể mà tại đó, máy thu GPS 1 tần số được sử dụng

So sánh kết quả giá trị độ trễ điện ly nội suy được với các giá trị độ trễ điện ly từ các mô hình thông dụng hiện nay, và so sánh với kết quả tính được từ trị đo thực để từ đó đánh giá mức độ tin cậy của mô hình vừa lập Điều này sẽ mở ra khía cạnh khai thác các máy thu GPS một tần số rẻ tiền khi chúng ta đã có một mô hình độ trễ điện ly địa phương, cục bộ Đây chính là mục tiêu, nhiệm vụ chủ yếu của luận văn này nhằm có thể giải đáp nhiều khúc mắc chưa có lời giải đáp trong điều kiện Việt Nam hiện nay

Trang 15

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ ĐỊNH VỊ TRONG HỆ THỐNG GPS

1.1 TÍN HIỆU VÀ TRỊ ĐO GPS

1.1.1 Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS phát ra cùng một loại tín hiệu tên hai tần số của quang phổ điện từ : L1 ở 1575.42MHz và L2 ở 1227.60MHz Trên các tần số sóng cực ngắn này, tín hiệu truyền đi rất tập trung theo hướng phát và do đó dễ bị khóa và phản xạ từ các vật rắn mắt mặt nước Tín hiệu có thể xuyên qua mây và sương mù Tín hiệu bao gồm 3 thành phần cơ bản :

+ Hai sóng tải L – band

+ Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải PRN

+ Thông điệp phát tín hàng hải (bản lịch vệ tinh)

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc tín hiệu GPS Trong sơ đồ trên, tất cả các thành phần tín hiệu đều được tạo ra từ một đồng hồ chuẩn tần số nguyên tử có độ ổn định rất cao đó là tần số cơ bản Mỗi

Trang 16

vệ tinh block II/IIA đều được trang bị hai đồng hồ nguyên tử cesium và hai đồng hồ nguyên tử rubidium Mỗi vệ tinh block IIR đều được trang bị ba đồng hồ nguyên tử rubidium Các đồng hồ sinh ra một sónh hình sine nguyên chất ở tần số f0 = 10.23MHz với tính ổn định khoảng 1/1013 trong một ngày

1.1.1.1 Hai sóng tải L - band

Sóng tải cung cấp phương tiện “chuyên chở” các mã đo khoảng cách và thông báo hàng hải từ vệ tinh đến mặt đất Tất cả các thành phần tín hiệu của vệ tinh đều sử dụng chung một đồng hồ nguyên tử có độ ổn định rất cao (10-

13/ngày) và được coi là “trái tim” của vệ tinh Đồng hồ sinh ra một sóng sine ở tần số f0 =10.23 MHz gọi là tần số cơ bản

Các sóng tải là sóng radio phân cực tròn, phải có khả năng lan truyền qua khí quyển trên khoảng cách rất lớn Sóng tải không chứa thông tin nào, vì vậy người ta điều biến nó theo vài cách khác nhau

Hình 1.2 Tín hiệu tổng hợp

Trang 17

Sóng tải L1 : Tần số f1=154 x f0 =1575.42 MHz bước sóng λ1 ≈19 cm Sóng tải L2 : Tần số f2=120 x f0= 1227.60 MHz bước sóng λ2 ≈ 24 cm Để đưa thông tin lên sóng tải người ta dùng kỹ thuật điều biến dịch hai pha Trong GPS có hai loại mã được dùng để điều biến sóng tải : mã đo khoảng cách và thông báo hàng hải

1.1.1.2 Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải PRN

Trong GPS người ta sử dụng hai mã đo khoảng cách như sau :

+ Mã C/A với ý nghĩa là “clear/access” hay “croase/acquisition” được tham khảo như là mã thô (độ chính xác thấp) nhưng miễn phí

+ Mã P với ý nghĩa là “private” hay “precise” được tham khảo như tinh (độ chính xác cao)

+ Mã C/A hay P có thể xem là các thước đo vì chúng cung cấp phương tiện cho máy thu GPS có thể đo khoảng cách đến vệ tinh

+ Cả hai mã đều có đặc tính nhiễu ngẫu nhiên nhưng thực chất chúng là mã nhị phân được sinh ra bằng các thuật toán khác nhau Vì vậy, chúng được gọi là mà “nhiễu giả ngẫu nhiên” (pseudo-random noise – PRN)

1.1.1.3 Thông điệp phát tín hàng hải (bản lịch vệ tinh)

Nhằm phục vụ cho công tác định vị hàng hải ở thời gian thực, một thông báo hàng hải được truyền trên cả hai sóng tải chứa những thông tin sau :

+ Bản lịch vệ tinh dự đoán

+ Các hệ số mô hình dự đoán hiệu chỉnh đồng hồ

Trang 18

+ Thông tin về trạng thái hệ thống GPS

+ Mô hình tầng điện ly của hệ thống GPS

Thông báo vệ tinh GPS ở dạng nhị phân giống như các mã đo khoảng cách nhưng nó không ngẫu nhiên Thông báo được truyền ở tốc độ một bit (“0” hay

“1”) trên mỗi 20 lần lặp lại của mã C/A tương ứng với tốc độ 50bps (bit per second) Chiều dài toàn bộ của thông báo là 1500 bit và được chia thành 5 khung con Một khung dữ liệu được phát đi sau mỗi 30 giây Ba khung chứa dữ liệu quỹ đạo và đồng hồ Hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh được gởi đi trong một khung con thứ nhất và các tập dữ liệu quĩ đạo vệ tinh chính xác (các thông số bản lịch) cho mỗi vệ tinh phát được gởi đi trong các khung con 2 và 3 Các khung con 4 và 5 được sử dụng để phát đi các trang khác nhau của dữ liệu hệ thống, mỗi khung chứa 25 trang khác nhau

Hình 1.3 Cấu trúc dữ liệu trong bản lịch vệ tinh

Trang 19

Ngoài các bit dữ liệu, những khung con còn lại chứa các bit kiểm tra chẳn lẽ cho phép kiểm tra dữ liệu và hiệu chỉnh các sai số trong điều kiện giới hạn Một tập khung gồm 125 khung con tạo thành một thông điệp định vị hoàn chỉnh chứa 37500bit và được phát đi trong một chu kỳ 12.5 phút

Hình 1.4 Cấu trúc dữ liệu thông báo hàng hải Các thông số dữ liệu đồng hồ mô tả trạng thái đồng hồ vệ tinh và mối quan hệ của nó với thời gian Thông thường, một máy thu có thể thu thập dữ liệu bản lịch sau mỗi giờ, nhưng nó cũng có thể sử dụng dữ liệu cũ tới 4 giờ mà không gây nhiều sai số Các thông số từ bản lịch được sử dụng với phương pháp tính toán vị trí của máy thu cho mọi thời điểm nằm trong chu kỳ quĩ đạo được mô tả thông qua các thông số bản lịch Nội dung quan trọng nhất của thông báo hàng hải là bản lịch phát tín (Broadcast ephemeris), nhằm cung cấp cho người sử dụng các thông tin cần thiết để xác định vị trí vệ tinh tại thời điểm đo

Trang 20

1.1.2 Trị đo GPS

Như chúng ta đã biết, tín hiệu phát ra từ antenna GPS là tín hiệu phức tạp trộn lẫn trên hai tần số sóng tải là hai mã đo khoảng cách C/A, P và thông báo hàng hải Nhiệm vụ của máy thu là thực hiện một quá trình ngược (giải mã) với những gì đã diễn ra ở vệ tinh (mã hóa) Tức tách ra các thành phần từ tín hiệu phức hợp Bây giờ, chúng ta xem xét những nguyên lý chung mà máy thu có thể cung cấp các trị đo khoảng cách dựa vào mã PRN và sóng tải

1.1.2.1 Trị đo khoảng cách từ mã PRN

Giả sử :

+ Đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu trên mặt đất được đồng bộ với nhau một cách chính xác và không có sai số

+ Máy thu có khả năng phát ra dãy mã PRN như vệ tinh Vào thời điểm

to, cả vệ tinh và máy thu cùng bắt đầu phát tín hiệu

+ Vệ tinh và máy thu ở cùng một chỗ

=> Ta sẽ có hai dãy mã hoàn toàn giống nhau về cấu trúc và pha

Hình vẽ 1 5

Trang 21

Do khoảng cách thực tế giữa máy thu và vệ tinh xấp xỉ 20200km, khi tín hiệu vệ tinh đến máy thu phải mất khoảng thời gian xấp xỉ 70 milisec, làm cho hai dãy tín hiệu lệch pha nhau

Độ lệch này phản ánh khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu Dựa vào cấu trúc tương tự giữa hai dãy mã người ta có thể đo được độ lệch và từ đó có thể chuyển thành khoảng cách Vì vậy điều then chốt ở đây là máy thu phải có khả năng tạo ra dãy mã giống như ở vệ tinh

Trong thực tế do sai số của đồng hồ vệ tinh, sai số của đồng hồ máy thu và sai số của môi trường truyền sóng, khoảng cách đo được rất xa so với khoảng cách hình học vì vậy mà người ta còn gọi trị đo này là trị đo giả cự ly (preudo-range)

1.1.2.2 Trị đo khoảng cách từ sóng tải:

Giả thiết tương tự như trên nhưng so sánh hai dãy sóng sine phát ra từ vệ tinh và từ máy thu ta thấy chúng lệch pha nhau Độ lệch pha này phản ảnh khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Pha của tín hiệu là một góc có giá trị giữa

0 và 3600 Nếu giá trị này vượt quá 3600 (tương ứng với 1 bước sóng nguyên) thì nó sẽ được quy về giới hạn trên

Điều đó có nghĩa là muốn chuyển độ lệch pha thành khoảng cách, ta còn cần số nguyên lần bước sóng nằm giữa máy thu và vệ tinh Ẩn số này được gọi là tham số đa trị, cần giải ra trong các phần mềm xử lý pha

Trang 22

* Độ chính xác của các trị đo GPS

Theo kinh nghiệm, các máy thu hiện nay có thể đo độ lệch chính đến 1% chiều dài bước sóng Do đó, trị đo C1 có độ chính xác 3m, P1 và P2 khoảng 0.3m và L1 & L2 chỉ vài mm

Tuy nhiên trong chỉ đo khoảng cách (giả cự ly hay pha) không chỉ chứa sai số đo mà còn chứa nhiều sai số hệ thống khác như sai số đồng hồ (vệ tinh và máy thu), sai số do môi trường truyền tín hiệu, sai số đa đường …

* Đối với máy thu hai tần số thì các trị đo thu được 7 trị đo và một thông điệp phát tín hàng hải bao gồm :

1 Trị đo phase trên sóng tải L1 : φ1

3 Trị đo mã C/A trên sóng tải L1 : C1

4 Trị đo mã P trên sóng tải L1 : P1

5 Trị đo mã trên sóng tải L2 : P2

6 Trị đo Dopler trên sóng tải L1 : D1

7 Trị đo Dopler trên sóng tải L2 : D2

* Đối với máy thu một tần số thì các trị đo thu được 2 trị đo và một thông điệp phát tín hàng hải bao gồm :

2 Trị đo mã C/A trên sóng tải L1 : C1

một tần số

Trang 23

1.2 NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH

Với sự ra đời của hệ GPS, những ứng dụng của GPS trong thực tế cuộc sống ngày nay càng ngày trở nên quá “rõ ràng”, chúng ta dễ dàng xác định vị trí của một điểm, nơi bất kỳ nào mà ta mong muốn nhưng kỹ thuật định vị bằng vệ tinh được thực hiện theo các nguyên tắc nào, ra sao ?? Chúng ta thử tìm hiểu qua các vấn đề sau :

Chúng ta giả sử Vector vị trí vệ tinh (r) đã biết, ta đo được khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh từ đó ta có thể dễ dàng xác định được vector vị trí của máy thu (R) theo phương pháp hình học cơ bản

Tuy nhiên, thực tế ta không đo được vector khoảng cách (ρ) mà chỉ đo được khảng cách hình học (ρ) Để giải quyết bài toán này chỉ cần thu tín hiệu từ 3 vệ tinh, nhưng để có đủ số trị đo nhằm giải ta tọa độ máy thu và sai số đồng hồ máy thu, ta cần quan sát đồng thời ít nhất 4 vệ tinh trở lên Vì các trị

đo GPS đo được là các trị đo giả chứa hai sai số lớn nhất là sai số do đồng hồ

Trang 24

j j

R

r − 1 =ρ1

r r

vệ tinh và đồng hồ máy thu do đó có thêm một ẩn số là số cải chính của đồng hồ máy thu Điều này, giải thích vì sao mà khi đo GPS cần phải có ít nhất từ 4 vệ tinh trở lên

Để có thể hiểu rõ hơn, chúng ta xem phương trình trị đo giữa trạm đo i (i=1,2) và vệ tinh j thể hiện qua các công thức sau :

và (1.1)

Hình1.8 Minh họa phương pháp định vị tương đối Tuy nhiên, việc định vị bằng vệ tinh lại chịu ảnh hưởng của hai chính sách

SA (Selective Availibility) và AS (Anti – Spoofing) do Bộ Quốc Phòng Mỹ qui định

j j

R

r − 2 =ρ2

r r

j j j

j

R r R

r − 1 − − 2 =ρ1 −ρ2

r r r r

ρ

1 1

ρ

2 1

Trang 25

* Chính sách SA (Selective Availibility)

SA bắt đầu tác dụng từ ngày 01 tháng 07 năm 1991 Nó bao gồm hai thành phần :

+ Thành phần tham số quĩ đạo ε tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng hải sao cho tọa độ vệ tinh không thể tính toán một cách chính xác Tuy nhiên không nhận thấy ảnh hưởng này trên dữ liệu thực

+ Thành phần số hiệu chỉnh đồng hồ δ làm “run” tần số xuất của đồng hồ vệ tinh Từ đó ảnh hưởng trực tiếp vào cả trị đo giả cự ly và trị đo pha Sự tác động này làm cho đồng hồ vệ tinh xấu hơn 15-16 lần thông thường

Theo các tài liệu tham khảo, tác động này làm độ chính xác định vị tuyệt đối sai đến 100m về mặt bằng và khoảng 150 – 170 m về độ cao Tuy nhiên, qua kết quả khảo sát thực tế cho thấy độ chính xác định vị chỉ tệ hơn khoảng 3 lần Và vào tháng 05 năm 2000, tổng thống Mỹ Bill Clinton đã tuyên bố ngừng chính sách này

* Chính sách AS (Anti - Spoofing)

Dưới tác động của chính sách này, một mã W bí mật trộn vào mã P để tạo

ra mã Y Chỉ có những máy thu đặt biệt (quân sự) mới biết được cấu trúc của mã Y, do đó mới thu được đo giả cự ly trên mã này Còn đối với các máy thu GPS thông thường chỉ thu dược trị đo giả cự ly trên mã C/A (C1) và sóng tải L1, nghĩa là tương đương máy thu GPS một tần số

Chính sách này bắt đầu áp dụng từ ngày 31 tháng 01 năm 1994 và cho tới nay, nó vẫn còn tồn tại Các công ty sản xuất máy thu đã đầu tư rất nhiều công

Trang 26

sức, thời gian và tiền của để nghiên cứu các phương pháp giải mã trên tần số f2

mà không cần có kiến thức về cấu trúc mã Y Cho đến hiện nay, có thể nói là họ đã thành công nhưng điều này làm cho giá thành của máy thu trở nên rất đắt tiền

1.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG GPS

Các tín hiệu GPS nhận được từ vệ tinh đến máy thu bị ảnh hưởng sai lệch bởi nhiều nguồn sai số khác nhau Các nguồn sai số này có thể chia thành 3 loại : Sai số giữa các vệ tinh, sai số trong khí quyển và sai số giữa các máy thu Sai số giữa các vệ tinh bao gồm có sai số đồng hồ vệ tinh, sai số quĩ đạo vệ tinh và sai số độ xiên tần số vệ tinh (satellite inter-frequency)

Sai số trong khí quyển bao hàm sai số độ trễ điện ly và độ trễ tầng đối lưu Sai số giữa các máy thu bao gồm sai số đồng hồ máy thu, sai số độ xiên tần số máy thu (receiver inter-frequency), hiện tượng đa đường và độ nhiểu của máy thu (receiver noisy)

Trong số những sai số này, sai số độ trễ điện ly là nguồn sai số lớn nhất sau khi chính sách SA (Selective Availibility) không còn áp đặt nữa Dưới những điều kiện điện ly thông thường, ảnh hưởng của độ trễ điện ly vào tín hiệu GPS thường từ một vài mét đến mười mét nhưng nó có thể lên đến hơn 100m trong thời gian bão từ tầng điện ly mạnh nhất

Theo tài liệu [1], ảnh hưởng của các sai số ảnh hưởng đển trị đo GPS như sau :

Trang 27

Bảng 1.1 Bảng thống kê các nguồn sai số của GPS

Loại sai số Đơn vị tính (m)

Sai số vệ tinh và quĩ đạo 5.0

Hiện tượng đa đường 2.5

Nói chung, những sai số này có thể được hiệu chỉnh hoặc giảm bớt thông qua các mô hình khắc phục sai số thích hợp Chẳng hạn như đối với sai số độ trễ điện ly có các mô hình được sử dụng như mô hình điện ly của tổ chức IGS, mô hình dự báo theo thuật toán Klobuchar Đối với các mô hình điện ly khác nhau thì có những đặc điểm khác nhau và kết quả hiệu chỉnh độ chính xác của mô hình cũng khác nhau Hầu hết đối với các nguồn sai số khác cũng có thể là mô hình toán học và làm giảm giá trị góc thấp nhất Thí dụ, thông qua tổ chức IGS (International GPS Service for Geodynamics) ta có thể dự đoán độ chính xác đối với việc xác định quĩ đạo và đồng hồ có thể đạt được thấp hơn 5 cm và 0.1ns (1 ns ≡ 10-9 second) trong kết quả cuối cùng của họ Sai số độ trễ tầng đối lưu cũng được hiệu chỉnh có hiệu quả thông qua mô hình Certain Models (Hopfield,1969,Saastamoinen,1793; Lanyi, 1984) Hiện tượng đa đường có thể làm giảm ảnh hưởng của nó thông qua việc chọn vị trí đặt máy thu và loại Antenna Các nguồn sai số ảnh hưởng đến trị đo GPS sẽ được trình bày chi tiết dưới đây

Trang 28

1.3.1 Sai số quĩ đạo vệ tinh

Bản lịch phát tín được phát ra và cập nhật liên tục bởi 5 trạm điều khiển chính trên mặt đất thì kết quả dự đoán dựa trên những thông tin được cung cấp trong quá khứ Vì vậy, vị trí của các vệ tinh GPS được tính từ bản lịch phát tín thì sai khác so với vị trí thật sự mà vệ tinh di chuyển Sự khác biệt này chính là sai số quĩ đạo vệ tinh Trước khi chính sách SA (Selective Availibility) được bãi bỏ, sai số quĩ đạo bao gồm một sai số gọi là ε tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng hải sao cho tọa độ vệ tinh không thể tính toán một cách chính xác Vì vậy, sai số của quĩ đạo vệ tinh rất lớn Lúc bấy giờ, độ chính xác của bản lịch phát tín quĩ đạo là khoảng 2m Khi sử dụng dữ liệu quĩ đạo vệ tinh được cung cấp từ tổ chức IGS, thì sai số này giảm đi một cách đáng kể Hiện giờ, theo thông báo từ tổ chức IGS cho biết, sai số quĩ đạo vệ tinh khi sử dụng các bản lịch phát tín từ tổ chức này là 5cm

1.3.2 Sai số đồng hồ vệ tinh

Mặt dù tất cả các vệ tinh GPS đều được trang bị đồng hồ nguyên tử trong việc phát ra tín hiệu GPS, nhưng các đồng hồ nguyên tử này vẫn còn chứa đựng một sai số trong tần số tiêu chuẩn của GPS do tính không ổn định của nó Sai số này có thể được hiệu chỉnh khi sử dụng các hệ số có trong bản lịch từ vệ tinh Những hệ số này được cập nhật từ các trạm điều khiển GPS và trên thực tế các hệ số có được là do cập nhật từ chính các vệ tinh có giá trị trong một chu kỳ thời gian Sai số đồng hồ vệ tinh ∆t SV có thể được tính theo (Spilker,1996a) thể hiện qua công thức sau :

R oc

f oc f

f

t = + − + − +∆

Trang 29

Trong đó :

+ a f0,a f1,a f2 là các hệ số cho độ xiên đồng hồ (sec) (clock bias), độ lệch của đồng hồ clock drift (sec/sec) và tốc độ lệch đồng hồ clock drift rate (sec/sec2)

+ t là thời gian truyền theo tín hiệu xiên

+ a hệ số thời gian tham khảo của số hiệu chỉnh đồng hồ

+ ∆t R là số hiệu chỉnh vật lý do người sử dụng tính toán ra được

Có một điều cũng cần lưu ý rằng, nếu người sử dụng máy thu GPS tần số đơn (L1 hoặc L2) dùng để định vị vị trí và thu nhận thông báo hàng hải, sự hiệu chỉnh đồng hồ truyền trong không gian nên thay đổi một cách thích hợp bởi vì hệ số cho độ xiên đồng hồ (sec) (clock bias) a f0 được dự đoán bởi các trạm điều khiển GPS dựa trên các trị đo tần số kép nơi mà nhóm độ trễ T GD tham gia vào công tác tính toán Số hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh cho các trị đo L1 hoặc L2 được tính theo các công thức sau :

+ Đối với các trị đo L1 : ∆t SV,L1 = ∆t SV −T GD (1.4)

+ Đối với các trị đo L2 : ∆t SV,L1 = ∆t SV −T GD (1.5)

Trong đó T GD là độ trễ nhóm mã (delay group) trong thông báo hàng hải từ vệ tinh

1227

42 1575

Trang 30

I.3.3 Sai số tầng điện ly

Tầng điện ly thì nằm phía trên tầng khí quyển, nơi có một số lượng elecetron tự do rất lớn Khi tín hiệu vệ tinh GPS được truyền xuyên qua lớp electron dày đặc, chúng bị trễ đáng kể Những sai số này được gọi là sai số độ trễ điện ly Aûnh hưởng điện ly này tác động đến đường truyền tín hiệu có thể thay đổi từ từ hơn 100m đến ít hơn một vài mét Độ trễ điện ly có thể thay đổi theo không gian và thời gian trong ngày Những đặc điểm điện ly này làm cho nó trở nên càng khó lập mô hình dự đoán hơn May mắn thay, tầng điện ly là một môi trường phân tán rải rác tại các tần số GPS Điều này có nghĩa là mức độ khúc xạ là một chức năng của tín hiệu tần số Vì vậy, các trị đo GPS tần số kép có thể dựa vào sự thuận lợi của đặc tính này để định hướng xác định sai số điện ly

Độ trễ điện ly tỷ lệ tương ứng với TEC (Total electron content) và sự lan truyền sóng điện từ theo phương vuông góc đi xuyên qua tầng điện ly Theo Klobuchar[5], TEC được định nghĩa như là mật độ electron tích phân dọc theo đường truyền tín hiệu, đơn vị là [el/m2] Các trị đo phase của khoảng cách giữa vệ tinh và mặt đất được giảm đi do có mặt của điện ly (phase tăng lên), trong khi các trị đo giả cự ly lại tăng lên (tín hiệu bị trễ) bằng cùng một số lượng

với Ne là mật độ electron của tầng điện ly có đơn vị là [el/m3]

Độ trễ điện ly trên trị đo mã và trị đo phase được tính theo công thức sau

2

30 40

i i

f

xTEC

I =

Trang 31

Trong đó f i(i=1,2) là tần số GPS trên tín hiệu L1 hay L2 và ∆I i(i=1,2) là độ trễ điện ly trên tín hiệu L1 hay L2

Cũng theo Klobuchar, giá trị của TEC tính theo các giá trị đo mã nhận được trên L1 và L2 như sau :

)(

30.40

)(

2 1

2 2

2 1

2 2

2 1

f f

P P f f TEC

−

Trong đó Pi (i=1,2) là các giá trị đo mã trên L1 và L2

Tuy nhiên, theo công thức trên giá trị TEC tính được cho độ chính xác thấp

do ảnh hưởng độ nhiễu của trị đo mã Để có thể tính giá trị TEC đạt độ chính xác cao, người ta thường sử dụng các trị đo phase trên L1 và L2 mặc dù theo phương pháp này, chúng ta sẽ gặp rất nhiều khó khăn để xác định giá trị nhập nhằng trong trị đo phase Vấn đề này sẽ được trình bày chi tiết trong chương 4 I.3.4 Sai số tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển thấp của trái đất, trong đó nhiệt độ giảm dần theo độ cao Độ dày của tầng đối lưu không giống nhau ở mọi nơi Nó mở rộng từ độ cao 9Km ở hai cực và tăng lên 16Km ở xích đạo

Sự hiện diện của các nguyên tử và phân tử trung tính trong tầng đối lưu sẽ ảnh hưởng vào sự lan truyển tín hiệu điện từ Các nguyên tử và phân tử trong tầng bình lưu cũng tồn tại những số lượng đầy đủ để ảnh hưởng sự lan truyền của tín hiệu Tuy nhiên vì phần lớn khí quyển trung tính nằm trong tầng đối lưu, toàn thể khí quyển trung tính thường được tham khảo như tầng đối lưu Mức độ sai số của độ trễ đối lưu là giữa 2 hoặc 3m tại thiên đỉnh và giá trị thiên đỉnh điển hình là 2.5m Theo kinh nghiệm, sai số 1cm ở độ trễ đối lưu sẽ gây ra sai số 3cm ở thành phần độ cao

Trang 32

1.3.5 Sai số đồng hồ máy thu

Trị đo GPS là trị đo khoảng thời gian giữa tín hiệu GPS nhận và tín hiệu GPS truyền tải Điều này có nghĩa là máy thu phải có một đồng hồ bên trong có độ chính xác cao để xác định thời gian đến của tín hiệu GPS Đối với tất cả máy thu phải có một đồng nguyên tử là đều không thực tế vì kích cở của nó lớn và giá thành thì quá đắt Vì thế hầu hết các máy thu được trang bị một đồng hồ dạng tinh thể thạch anh, nhỏ gọn, không đắt và ít tốn kém nhiên liệu Tuy nhiên đối với một vài máy thu đòi hỏi độ chính xác cao được sử dụng tại các trạm tham chiếu GPS, có một cổng I/O cho phép thu nhận các tần số tiêu chuẩn bên ngoài từ cesium, rubidium hay ngay cả hydrogen maser Khi vệ tinh GPS được truyền đi đầy đủ, sai số đồng hồ máy thu có thể được xác định và đồng hồ máy thu có thể được đồng bộ hóa với thời gian GPS Sự đồng bộ hóa có một sai số khoảng 0.1 micro giây dưới tác động của chính sách SA và khoảng 0.01 micro giây khi chính sách SA tắt đi Sai số đồ hồ máy thu có thể được khắc phục khi sử dụng phương pháp đo hiệu (differential method) hoặc dự đoán như là một ẩn số cùng với các tham số tọa độ

1.3.6 Sai số hiện tượng đa đường

Đa đường là hiện tượng trong đó một tín hiệu đến antenna của máy thu qua hai hay nhiều đường truyền khác nhau Sự khác nhau ở đường truyền làm cho tín hiệu bị nhiễu ở antenna Hiện tượng đa đường xảy ra do các vật cản trên đường truyền sóng làm thay đổi hướng của tín hiệu Tín hiệu bị phản xạ và tín hiệu vệ tinh cơ bản sẽ tác động tương hỗ với nhau và làm thay đổi các tham số của tín hiệu vệ tinh cơ bản Theo lý thuyết, ảnh hưởng lớn nhất của hiện tượng

đa đường đối với trị đo mã P là khoảng 15m và khoảng 150m đối với trị đo mã

Trang 33

C/A Tác động của hiện tượng đa đường trên trị đo phase thì nhỏ hơn với ảnh hưởng sai lệch lớn nhất chỉ là 5cm

Hiện tượng đa đường có thể được khắc phục theo các phương pháp sau : + Chọn vị trí đặt antenna tránh các chướng ngại vật cản trở việc thu nhận tín hiệu từ vệ tinh

+ Sử dụng loại antenna được thiết kế hạn chế ảnh hưởng của sự khúc xạ tín hiệu

+ Sử dụng các máy thu GPS với kỹ thuật xử lý tín hiệu đặc biệt chẳng hạn như narrow correlator, multipath-estimating multiple-correlator channels 1.3.7 Độ nhiễu máy thu

Mức độ nhiễu phản ánh chất lượng máy thu GPS tốt Cả trị đo mã và trị đo phase từ máy thu GPS đều chứa đựng nhiễu Nhưng trị đo phase thì bị ảnh hưởng thấp hơn trị đo mã Mứùc độ nhiễu đối với trị đo mã C/A là khoảng 0.3m và thậm chí có thể lớn hơn, trong khi đối với trị đo phase thì chỉ ở mức độ 2mm

Trang 34

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ ẢNH HƯỜNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY

VÀO TÍN HIỆU GPS VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC

2.1 SỰ HÌNH THÀNH TẦNG ĐIỆN LY

Tầng điện ly được mô tả thông qua các electron tự do và các vật mang điện ion Khi các phân tử và nguyên tử trong tầng khí quyển nhận đủ năng lượng bên ngoài, một hay nhiều electron được tách ra từ các nguyên tử hay phân tử này Quá trình này được gọi là sự ion hóa Các bức xạ cực tím mặt trời và các phần tử mang năng lượng là hai nguồn năng lượng trong quá trình ion hóa Khi sự ion hóa diễn ra, các nguyên tử hay phân tử trở thành các vật mang điện (positively chagred ions) trong khi các electron tách ra trở thành các electron tự do Bởi vì số lượng các vật mang điện tương đương với các electron tự do, nên tầng điện ly là tầng điện trung tính

Quá trình ion hóa phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và các hoạt động của nó Vào ban ngày, lượng tử ánh sáng đến từ các tia bức xạ lớn tạo ra các electron tự do tác động tới sự quang ion hóa (photoionization) Bên cạnh sự quang ion hóa, các phần tử mang năng lượng, các electron chính, cũng là nguyên nhân của sự ion hóa Vào ban đêm, sự ion hóa vẫn còn được duy trì bởi các phần tử năng lượng trong khi sự quang ion hóa biến mất Sự xuất hiện và biến mất của bức xạ mặt trời là nguyên nhân gây ra sự khác nhau tầng điện ly giữa ngày và đêm

Hình2.1 Minh họa quá trình phân tách các electron

Trang 35

Mật độ electron trong tầng điện ly thì khác nhau tùy theo từng thời điểm, địa điểm và tại những nơi có từ tính Mặc dù nguồn năng lượng chính trong quá trình ion hóa là các bức xạ mặt trời và các phần tử mang năng lượng, nhưng quyển từ (magnetoshere) cũng ảnh hưởng đến tầng điện ly Vì vậy, các bức xạ mặt trời là một phần trong sự hình thành tầng điện ly

Tầng điện ly thuờng được phân chia thành các lớp khác nhau như lớp D, lớp E, lớp F được phân bố dọc theo mật độ electron tại độ cao nào đó Lớp F được chia thành lớp F1 và lớp F2 Tuy nhiên, sự khác nhau của hai lớp này chỉ để phân biệt thời gian tầng điện ly tại vùng xích đạo Lớp F2 suy giảm vào ban đêm và ranh để dễ nhận biết được giữa lớp E-F có thể xuất hiện tại ranh giữa lớp E và lớp F2

2.1.1 Sự phân chia giữa các tầng điện ly

Tầng điện ly nằm ở khoảng độ cao từ 60Km ÷ 1500Km so với bề mặt đất, nó thuộc khu vực cao hơn tầng khí quyển nơi mà mật độ các electron tự

do gây ảnh hưởng dễ nhận thấy tác động trên sóng radio lan truyền trong không khí Dọc theo sự phân bố tập trung của các electron, tầng điện ly trong không gian được chia thành các lớp khác nhau được gọi tên là lớp D, lớp E và lớp F thể hiện trong hình vẽ 2.2 Mỗi vùng tầng điện ly thể hiện sự phân bố của electron, số lượng electron tự do trên một đơn vị đo lường thuộc vùng đó

Trang 36

]

Hình 2.2 Các lớp tầng khí quyển và tầng điện ly Bây giờ chúng ta tìm hiểu chi tiết các lớp thể hiện sự phân bố electron trong tầng điện ly sau đây :

* Lớp D :

Lớp D là lớp có vị trí thấp nhất trong số các lớp của tầng điện ly và nó nằm ở độ cao khoảng từ 75Km ÷ 95Km so với bề mặt trái đất Lớp này thì chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các tia bức xạ mặt trời và mật độ electron tự do chủ yếu tập trung lớn vào lúc giữa trưa và rất thấp vào ban đêm hoặc thậm chí không gây ảnh hưởng gì So với các lớp khác, Lớp D thì phức tạp nhất do ảnh hưởng áp suất và các nguồn khác góp phần tạo nên sự ion hóa chẳng hạn như bức xạ Lyman α , bức xạ EUV, chùm tia X, tia bức xạ và các phần tử mang năng lượng Lớp D là nơi chủ yếu xuất hiện của sóng radio, về mùa đông thì ảnh hưởng lớn hơn mùa hè

Trang 37

* Lớp E :

Phía trên Lớp D là Lớp E, nằm ở vị trí độ cao từ 90Km ÷ 150Km so với bề mặt đất Lớp E này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi chùm tia X Lớp E được tạo thành từ việc hấp thụ bức xạ tia cực tím với dãy sóng xấp xỉ 90nm Tại những nơi vĩ độ cao, sự ion hóa trong lớp E rất lớn do sự chuyển động liên tục của các electron và proton Mật độ electron có thể lên tới 105/cm3 vào ban ngày và đột ngột giảm xuống còn khoảng 5x103/cm3 vào ban đêm, tuy nó không tan biến mất đi Điểm khác biệt trong Lớp E là hiện tượng Sporadic-E , thỉnh thoảng làm quá trình ion hóa tăng lên Đặc tính của Sporadic-E là kích thước của chúng rất nhỏ, khoảng từ 0.6Km ÷ 2Km tính theo bề rộng Nguồn gốc cơ bản của Sporadic-E tại xích đạo là sự khác nhau của tốc độ gió với độ cao

* Lớp F :

Lớp F thì nằm phía trên cùng trong tầng điện ly và ở vị trí độ cao từ 150Km ÷ 500Km Lớp F được cấu thành chủ yếu từ sự bức xạ mặt trời với dãy sóng khoảng từ 20 ÷ 90nm Lớp F thường được chia nhỏ nữa thành Lớp F1 và Lớp F2 So với các lớp F1, lớp D và lớp E, Lớp F2 được nghiên cứu quan tâm nhiều nhất đối với sự truyền sóng radio do đây là vùng có các electron tập trung nhiều nhất trong các lớp thuộc tầng điện ly

2.1.2 Aûnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GPS

Đường truyền sóng radio bị ảnh hưởng bởi các electron tự do có trong tầng điện ly khi nó truyền xuyên qua tầng điện ly Như chúng ta đã biết, mức độ khúc xạ phụ thuộc vào mật độ electron, vùng từ trường, tần số xuất hiện và sự phân cực của sóng truyền tín hiệu

Trang 38

Tầng điện ly là một môi trường tán xạ đối với sóng radio Chỉ số khúc xạ của nó là hàm số theo tần số Chỉ số khúc xạ được cho bởi lý thuyết Appeton – Hartree về sự lan truyền sóng điện từ trong một môi trường ion hóa (môi trường có số lượng các ion dương và các electron tự do bằng nhau ) Nó giả sử rằng trường từ là thống nhất và các ion không ảnh hưởng vào sóng radio

Tầng điện ly có thể gây ra năm hiện tượng vật lý trên sóng vô tuyến như sự suy giảm tín hiệu, hiệu ứng Doppler, làm cong hướng truyền sóng, làm xoay góc phân cực Faraday và làm trễ phân tán tần số

Khi sóng điện từ truyền qua môi trường bị ion hóa thì nó bị tán xạ cũng như bị khúc xạ trong môi trường đó Đối với tín hiệu GPS cũng vậy, khi tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh đến mặt đất nó phải truyền qua môi trường của các lớp F, lớp E, lớp D thuộc tầng điện ly và tầng bình lưu, tầng đối lưu Do đó, tín hiệu của GPS bị khúc xạ và nguyên nhân gây ra sự khúc xạ mạng nhất là do ảnh hưởng của tầng điện ly gây ra sai số khoảng cách đo mà máy thu nhận được

Chỉ số khúc xạ tầng điện ly cho bởi phương trình Appeton – Hartree :

4 2

2 2

) 1

( 4 ) 1

( 2 1

1 ) (

L T

T

Y iZ X

Y iZ

X

Y iZ

X i

Trong đó

Dấu ± là phân biệt giữa một sóng thông thường và khác thường

2 0

X = là chuyển động nhiệt của các electron tự do (2.2)

Trang 39

YL ,YT là thành phần theo chiều dọc và theo chiều ngang của lực Lorentz tác dụng lên electron gây ra bởi trường điện từ :

ω

e

L L

ω

ν

=

Với Ne là mật độ electron có đơn vị el/m3

e = 1.60218 x 10-19 coulombs là điện tích của electron

me = 9.10939 x 10-31 kg là khối lượng của electron

Trang 40

∫

* Sự sớm trị đo mã và độ trễ phase của tầng điện ly

Như chúng ta cũng biết, trong môi trường đồng chất, chỉ số khúc xạ được xem như là hằng số, tốc độ truyền sóng được truyền bằng vận tốc của ánh sáng trong chân không c Biên độ truyền sóng được tính theo công thức sau :

c

x t

Trong đó

t là thời gian có đơn vị là second

cϕlà vận tốc truyền sóng phase có đơn vị là m/sec

x là khoảng cách từ đường truyền tín hiệu có đơn vị là m

ω = 2πf là tần số góc của tín hiệu truyền qua tầng điện ly rad/sec

=

k là hệ số truyền sóng có đơn vị rad/m

Công thức được viết lại như sau :

s

22

cos2

cos22 1

ωω

ωϕ

ϕ

Kết quả kết hợp hai sóng này được thể hiện trong hình vẽ sau :

Định dạng
Số trang	128
Dung lượng	2,64 MB