Xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động dựa trên công nghệ GPS và GIS

Xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động dựa trên công nghệ GPS và GIS Xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động dựa trên công nghệ GPS và GIS Xây dựng hệ thống quản lý đối tượng di động dựa trên công nghệ GPS và GIS luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ GPS VÀ GIS

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÃ SỐ:

LẠI MẠNH DŨNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN THANH THỦY

HÀ NỘI 2007

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương I HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 8

1 Lịch sử kỹ thuật định hướng 8

2 Nguyên lý định vị vệ tinh GPS 9

3 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS 14

4 Các khái niệm cơ bản về hệ GPS 16

4.1 Các vệ tinh trong không gian 16

4.2 Cấu trúc gói dữ liệu GPS 19

4.3 Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu 20

4.3.1 Phương pháp đo giả cự ly (pseudo-range) 21

4.3.2 Phương pháp đo số chu kỳ sóng mang (carrier beat phase) 23 4.4 Cấu trúc máy thu GPS 24

4.4.1 Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại: 25

4.4.2 Phần nhận tần số vô tuyến RF: 25

4.4.3 Bộ điều khiển: 26

4.4.4 Bộ nhớ: 26

4.4.5 Nguồn nuôi: 26

4.5 Giao thức dành cho máy thu GPS 26

4.6 Các phép định vị được thực hiện bằng máy thu GPS 29

4.6.1 Phép định vị tương đối: 30

4.6.2 Phép định vị động tương đối: 32

5 Các nguyên nhân gây sai số GPS và cách giải quyết 33

5.1 Sai lệch đồng hồ khi đo thời gian 34

5.2 Sai lệch quĩ đạo vệ tinh 35

5.3 Sai số do trị nhập nhằng của pha sóng mang 38

5.4 Ảnh hưởng của cấu hình vệ tinh đến sai số 39

6 Một số lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của GPS 41

6.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 41

6.2 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển 42

6.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 42

6.4 Các ứng dụng trong phương tiện giao thông đường bộ 42

Chương II HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) 44

1 Các thành phần của GIS 44

1.1 Phần cứng 44

1.2 Phần mềm 44

1.3 Dữ liệu 45

1.4 Con người 45

1.5 Thủ tục 45

2 GIS Làm việc như thế nào? 45

2.1 Tham khảo địa lý 46

2.2 Mô hình Vector và Raster 46

3 Các nhiệm vụ của GIS 47

3.1 Nhập dữ liệu 47

3.2 Thao tác dữ liệu 48

3.3 Quản lý dữ liệu 48

3.4 Hỏi đáp và phân tích 49

3.4.1 Phân tích liền kề 49

3.4.2 Phân tích chồng xếp 50

3.5 Hiển thị 50

4 Tổ chức dữ liệu trong GIS 50

5 Các công nghệ liên quan 51

5.1 Desktop Mapping (thành lập bản đồ) 51

5.2 CAD (trợ giúp thiết kế nhờ mày tính) 51

5.3 Viễn thám và GPS (hệ thống định vị toàn cầu) 52

5.4 DBMS (Hệ quản trị cơ sở dữ liệu) 52

6 Giới thiệu công cụ phát triển hệ thống GIS của MapInfo 52

6.1 Giới thiệu về MapX: 53

6.1.1 Điều khiển mở rộng 53

6.1.2 Sử dụng các công cụ 54

6.1.3 Quản lý bản đồ theo mô hình các lớp 58

6.1.4 Tạo mới, thay đổi hay xoá bỏ các đối tượng đồ hoạ 59

6.1.5 Hiển thị dữ liệu của người sử dụng lên bản đồ 61

6.1.6 Quản lý và lựa chọn các đối tượng hiển thị trên bản đồ 62

6.2 Giới thiệu về MapXtreme 66

6.2.1 Xây dựng Servlet 67

6.2.2 MapJ API 74

Chương III THIẾT KẾ HỆ THỐNG 83

1 Kiến trúc tổng thể 83

1.1 Các thiết bị gắn trên xe 83

1.2 Trung tâm quản lý vị trí xe 84

1.3 Sử dụng dịch vụ qua Internet 85

2 Thiết kế thiết bị gắn trên xe 86

2.1 Nhiệm vụ của thiết bị: 86

2.2 Sơ đồ khối thiết bị: 87

2.3 Giải pháp cho khối điều khiển: 89

2.4 Giải pháp cho khối bộ nhớ: 90

2.5 Giải pháp cho khối kết nối trao đổi thông tin với trung tâm: 90

2.6 Giải pháp cho khối kết nối thu nhận thông tin từ GPS: 91

2.7 Giải pháp cho khối nguồn nuôi: 91

2.8 Các thiết bị chính: 92

3 Truyền thông 92

4 Thiết kế cơ sở dữ liệu 95

Chương IV HỆ THỐNG QUẢN LÝ XE 98

1 Ghép nối với modem GSM/GPRS 99

1.1 Modem  Máy tính 99

1.2 Máy tính  Modem 100

2 Quản lý vị trí của xe 101

2.1 Hiển thị bản đồ theo chuẩn MapInfo 102

2.2 Hiển thị vị trí hiện thời của xe 102

2.3 Xem lại lộ trình của xe 104

2.4 Các tiện ích khác bao gồm: 105

3 Cung cấp dịch vụ xác định vị trí xe trên nền web 105

4 Đánh giá 108

4.1 Cài đặt các mô đun chương trình 108

4.2 Yêu cầu 109

KẾT LUẬN 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Hệ GPS trong hệ tọa độ địa tâm 10

Hình 2 Phép định vị GPS với một vệ tinh 11

Hình 3 Cách định vị GPS trong không gian 13

Hình 4 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS 14

Hình 5 Vệ tinh GPS block II 17

Hình 6 Phân bố vệ tinh GPS trên quĩ đạo 18

Hình 7 Nội dung gói dữ liệu GPS 19

Hình 8 Xác định tg truyền bằng phương pháp dò tương quan 22

Hình 9 Sơ đồ khối máy thu GPS 25

Hình 10 Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS 30

Hình 11 Phép định vị nhiều máy thu 31

Hình 12 Phép định vị động tương đối 32

Hình 13 Cấu hình vệ tinh tốt 40

Hình 14 Cấu hình vệ tính tồi 41

Hình 15 Mô hình phân lớp của GIS 45

Hình 16 Mô hình Vector – Rasstor 47

Hình 17 Phân tích xếp chồng trên mô hình phân lớp 50

Hình 18 Cấu trúc phân lớp 58

Hình 19 Kiến trúc thin client/thick server 69

Hình 20 Kiến trúc thick client/thin server 71

Hình 21 Kiến trúc Medium client/medium server 73

Hình 22 Mô hình truy nhập CSDL 79

Hình 23 Sử dụng LocalDataProviderRef 81

Hình 24 Sử dụng MapXtremeDataProviderRef 81

Hình 25 Sơ đồ khối thiết bị gắn trên xe 83

Hình 26 Kiến trúc tổng thể hệ thống 86

Hình 27 Sơ đồ khối thiết bị gắn trên xe 87

Hình 28 Kiến trúc hệ thống khi sử dụng GPRS 94

Hình 29 Cấu trúc bảng trong CSDL 95

Hình 30 Sơ đồ khối phần mềm tại trung tâm 98

Hình 31 Ghép nối máy tính và modem 99

Hình 32 Ghép nối modem tại trung tâm 100

Hình 33 Hiển thị vị trí hiện thời của xe 103

Hình 34 Giao diện hiển thị vị trí hiện thời của xe 103

Hình 35 Hiển thị lại lộ trình xe 104

Hình 36 Giao diện hiển thị lại lộ trình xe 104

Hình 37 Kiến trúc thin client/thick server áp dụng 106

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống định vị toàn cầu GPS do bộ quốc phòng Mỹ triển khai và đi vào hoạt động từ năm 1973 Ban đầu, hệ thống được triển khai nhằm mục đích quân sự Cho đến nay, hệ thống này đã mở rộng cho phép khai thác bởi

tất cả các lĩnh vực trong đời sống xã hội trên toàn thế giới Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông, ngày càng có nhiều ứng dụng khai thác sử dụng hệ thống GPS trong tất cả các lĩnh vực Các hãng sản xuất phần mềm trên toàn thế giới nghiên cứu phát triển các bộ công cụ theo mô hình hệ thống thông tin địa lý GIS mà điển hình có thể nhắc tới là MapInfo, Google Thông qua đó giúp người sử dụng khai thác triệt để hệ thống GPS Điều đó thể hiện hệ thống định vị toàn cầu ngày càng hoạt động hiệu quả và cung cấp những lợi ích không thể thiếu trên toàn thế giới

Ở Việt Nam trong một số năm gần đây, việc áp dụng công nghệ GIS khai thác hệ thống định vị toàn cầu GPS ngày càng phổ biến, ngày càng xuất

hiện các sản phẩm phần mềm phát triển trên máy tính hoặc trên các thiết bị cầm tay có gắn kèm GPS cung cấp chức năng định vị cho người sử dụng Người sử dụng có thể dễ dàng biết được vị trí của mình thông qua một bản đồ

số Tuy nhiên, do phải nhập ngoại hoàn toàn nên thiết bị loại này có giá thành đắt, mặt khác cả thiết bị lẫn phần mềm đi kèm mới chỉ dừng lại ở mức người

sử dụng cá nhân Cho nên các sản phẩm này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi trên diện rộng Chẳng hạn đối với một doanh nghiệp kinh doanh dịch vụ taxi,

họ cần một trung tâm điều hành có thể nằm được vị trí của từng xe Khi có khách gọi, trung tâm điều hành sẽ gọi xe gần nhất đến phục vụ và điều hành

xe trách khỏi tắc nghẽn giao thông, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp Hoặc, một xí nghiệp cung cấp dịch vụ xe bus cần quản lý các xe theo các tuyến và các điểm dừng đỗ, ngoài ra cần có sự phối hợp giúp đỡ giữa các xe hoạt động

trên khắp địa bàn thành phố… Những nhu cầu này đòi hỏi phải có giải pháp

tổng thể cả phần cứng lẫn phần mềm với chi phí chấp nhận được

Hiện nay, hệ thống GPS đã và đang nhận được sự quan tâm ngày càng nhiều của các nhà khoa học trong cả nước Nhiều ứng dụng của hệ thống đã được triển khai và góp phần hỗ trợ cho sự phát triển của cuộc sống Một số

trường đại học như Đại học thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Hà nội đã đưa kỹ thuật định vị GPS vào chương trình đào tạo cho sinh viên năm cuối Một số nhóm nghiên cứu chuyên sâu để khai thác các ứng dụng của hệ thống GPS đã được thành lập như ở trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Phòng không Không quân… Một số chương trình nghiên cứu ứng dụng

hệ thống định vị GPS vào phục vụ dân sinh và quản lý xã hội đã được nhà nước tài trợ và bước đầu có được những kết quả đáng khích lệ như: chương trình quản lý tài nguyên rừng và biển, chương trình quản lý tài nguyên khoáng sản, chương trình quản lý xe buýt nội thành Một số chương trình nghiên cứu cũng đang được triển khai ở Việt nam như sau:

và môi trường tiến hành kết hợp với công nghệ GIS để xác định vùng và quản

lý trên bản đồ số các vùng tài nguyên khoáng sản, giúp cho việc hoạch định

kế hoạch khai thác và bảo vệ hữu hiệu hơn

của công nghệ định vị GPS và GIS trong thu thập, phân tích và tinh lọc dữ liệu phục vụ công việc quan trắc, đánh giá các đối tượng môi trường và nghiên cứu tính khả thi

Chương trình quản lý và phân tích các sự cố môi trường: nghiên cứu

tình hình biến động của đất, dự báo động đất, xác định các khu vực có nguy

cơ bị sự cố môi trường…

Ch ương trình nghiên cứu định vị trong cứu hộ, cứu nạn trên biển và trên cả đất liền: các thiết bị định vị GPS là một công cụ vô cùng hữu hiệu

giúp cho các tầu thuyền định vị được vị trí Ngoài ra, định vị hàng không và định vị đường bay cũng đang được tổng công ty hàng không việt nam và học viện phòng không không quân thử nghiệm

là một chương trình đã được tiến hành và hiện nay vẫn đang từng bước hoàn thiện Các xe buýt sẽ được kiểm soát hành trình và hướng dẫn đường Ngoài

ra, ứng dụng định vị GPS cũng sẽ được áp dụng trong kiểm soát hành trình của các chuyến tàu hoả, giúp tránh được các sự cố va chạm

Ngoài ra, hệ thống GPS cũng giúp cho quá trình định vị các lỗ khoan biển và thi công đường hầm được chính xác hơn

Nói chung, với khả năng ứng dụng rộng lớn mà chỉ một phần nhỏ được trình bày ở trên, hệ thống GPS hoàn toàn xứng đáng nhận được sự quan tâm

hơn nữa của các nhà khoa học và của các cơ quan quản lý nhà nước Chính vì

vậy, em mạnh dạn đề xuất thực hiện đề tài này với mong muốn xây dựng một

hệ thống phần mềm đưa ra các giải pháp cho phép người sử dụng có thể quản

lý được vị trí của đối tượng đang di động trong một địa bàn nào đó dựa trên

nền tảng là công nghệ GPS và công nghệ GIS phổ biến hiện nay

Chương I HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1 Lịch sử kỹ thuật định hướng

Kỹ thuật định hướng đã được nhắc đến từ rất lâu Thời xa xưa, con người

đã cố gắng tìm một cách tin cậy để xác định vị trí Bắt đầu chỉ đơn giản như đánh dấu đường đi bằng các hòn đá, đi dọc theo bờ biển… Sau này khi bắt đầu có những chuyến đi ra biển thì con người học được cách xác định phương hướng theo các chòm sao Ví dụ như trong thần thoại Hy lạp có câu chuyện

nữ thần Atêna hướng dẫn Ôđixê bám theo chòm sao Gấu lớn thì sẽ về đến nhà…

Tiếp sau này, khi khoa học đã phát triển hơn, con người đã biết sử dụng

la bàn và kính lục phân để xác định vị trí La bàn chỉ dẫn cho ta biết phương hướng, kính lục phân chỉ dẫn cho ta biết vĩ độ, còn kinh độ vẫn là một bí ẩn lớn Mãi đến sau này người ta mới có thể xác định được tọa độ khi xuất hiện

sự có mặt của đồng hồ bấm giờ

Vào đầu thế kỷ 20, một vài hệ thống định vị dựa trên sóng radio được phát triển và được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh thế giới lần thứ hai Các bên tham chiến đều sử dụng kỹ thuật định vị bằng sóng radio phát theo phương ngang với bề mặt trái đất Đây được coi là một kỹ thuật tiên tiến lúc bấy giờ

Một vài hệ thống định vị sóng radio theo mặt đất vẫn còn được dùng cho đến ngày nay Điểm hạn chế của việc định vị bằng sóng radio phát từ mặt đất lên là khả năng định vị với độ chính xác cao nhưng chỉ dùng cho một khoảng không gian hẹp, nếu muốn hệ thống bao trùm một không gian rộng thì độ chính xác định vị sẽ giảm đi rất nhiều Sóng radio tần số cao (giống như sóng tivi UHF) có thể cho phép xác định vị trí chính xác nhưng chỉ truyền đi trong

một khoảng cách ngắn, còn những sóng radio tần số thấp hơn (như sóng AM)

có thể bao phủ một diện tích rộng nhưng khó có thể cho biết vị trí chính xác

Do đó các nhà khoa học đã quyết định rằng cách tốt nhất để có thể phủ sóng bao trùm khắp thế giới là đặt các máy phát sóng ở trên không gian Một máy phát sóng ở cao hơn nhiều so với bề mặt trái đất phát sóng radio tần số cao với các tín hiệu được mã hoá đặc biệt có thể bao phủ một khu vực rất rộng và cho phép thực hiện phép xác định vị trí chính xác Đó chính là nguyên lý cơ bản của hệ thống định vị toàn cầu GPS, viết tắt của Global Positioning System

2 Nguyên lý định vị vệ tinh GPS

Các kỹ thuật định vị trước đây chủ yếu là dựa trên phép đo định vị tương đối Một điểm đo được xác định toạ độ theo mối quan hệ về khoảng cách với các điểm mốc đã được xác định trước Với những khoảng cách ngắn, phép định vị tương đối tỏ ra khá hiệu quả, đặc biệt là khi hai điểm có thể ngắm thông nhau Hiện tại có nhiều kiểu định vị tương đối khác nhau, dựa trên những khái niệm vật lý và hình học khác nhau Phép định vị tương đối là một dạng định vị cơ bản thường được dùng trong thực tế trắc địa Tuy nhiên với những khoảng cách lớn thì việc tiến hành phép định vị tương đối sẽ gặp rất nhiều khó khăn

Sự phát triển của hệ thống GPS được coi là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực định vị trên trái đất bằng cách cung cấp các số đo vị trí tuyệt đối rất chính xác Nguyên tắc của phép đo như sau: từ vệ tinh A, người ta phát ra một sóng điện từ có tần số nằm trong vùng tần số rađiô Ở nơi máy thu GPS sẽ có thiết bị đo khoảng thời gian sóng điện từ này truyền qua không gian để đến máy thu Với giá trị thời gian đo được và với bước sóng biết trước, người ta

có thể dễ dàng tính được một cách chính xác khoảng cách từ vệ tinh phát đến

vị trí của máy thu GPS

Để thuận tiện cho việc định vị vị trí cho bất kỳ điểm nào trên trái đất,

người ta sử dụng hệ tọa độ địa tâm [2], tức là hệ tọa độ có gốc C trùng với trọng tâm của trái đất, như trình bầy ở Hình 1

Hình 1 Hệ GPS trong hệ tọa độ địa tâm

Tâm của hệ toạ độ được qui ước là tâm của trái đất Với hệ trục tọa độ

Đề Các, một điểm được xác định nếu biết ba giá trị toạ độ: X, Y, Z Người ta qui ước mặt phẳng Z = 0 sẽ tương ứng với mặt phẳng xích đạo Còn mặt phẳng Y = 0 sẽ đi qua kinh tuyến Greenwich

Ngoài ra, người ta cũng có thể xác định vị trí của máy thu GPS trong hệ toạ độ cầu với các toạ độ về kinh tuyến, vĩ tuyến và cao độ Về bản chất thì hai hệ toạ độ này có vai trò như nhau và ta hoàn toàn có thể chuyển đổi toạ độ của một điểm trong hệ toạ độ này sang hệ toạ độ kia bằng một công thức chuyển đổi toạ độ:

RGPS11 = R(wx,wy,wz).RGPS12

Véc tơ vị trí điểm P

Tâm Trái Đất Đường xích đạo

Cực CIO

điểm P trục Z

trục Y

trục X Kinh tuyến

Greenwich

Trong đó RGPS11 là toạ độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ nhất, RGPS12 là tọa độ của máy thu GPS 1 trong hệ toạ độ thứ hai, R(wx,wy,wz) là

ma trận chuyển đổi và wx, wy, wzlà các góc xoay phương vị của các trục tọa

độ giữa hai hệ thống Phương trình chuyển đổi này cũng đúng với trường hợp chuyển đổi của véc tơ vận tốc

Đối với mỗi vệ tinh GPS, máy thu sẽ xác định được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh đó nhờ xác định được khoảng thời gian thông điệp được truyền đi từ vệ tinh đó đến máy thu và biết trước được tốc độ truyền của thông điệp trong không gian Như vậy nếu xác định được vị trí của vệ tinh tại thời điểm tính toán thì hoàn toàn có thể khẳng định là máy thu sẽ nằm trên mặt cầu

có tâm là vệ tinh và bán kính là khoảng cách vừa tìm được Mô tả này được trình bầy ở Hình 2

Vệ tinh (X1,Y1,Z1)

Z

Y

X

C(0,0,0)

với nhiều hơn 4 vệ tinh thì có thể cho biết vị trí chính xác của máy thu đó Điều đó được giải thích như sau: với vệ tinh thứ nhất S1, ta biết được khoảng cách từ vệ tinh này đến máy thu là r1 Với vị trí của các vệ tinh được xác định trước thì điều đó chứng tỏ máy thu sẽ nằm trên bề mặt hình cầu có tâm là vệ tinh S1 và bán kính là khoảng cách r1 Tiếp theo, với vệ tinh thứ hai S2, ta có được máy thu nằm trên mặt cầu có tâm là vệ tinh S2 và bán kính là khoảng cách r2 Giao của hai bề mặt cầu này sẽ là một đường tròn và rõ ràng máy thu phải nằm trên đường tròn này Hoàn toàn tương tự với vệ tinh thứ hai S2 và thứ ba S3, ta sẽ thu được một đường tròn thứ hai mà máy thu cũng phải nằm trên đường tròn này Giao của hai đường tròn sẽ cho ta hai điểm, một điểm là

vị trí thực của máy thu và điểm thứ hai là một vị trí nào đó ngoài không gian Như vậy là chỉ cần đo khoảng cách từ máy thu đến ba vệ tinh cũng đủ để xác định được vị trí của máy thu theo toạ độ X,Y,Z hoặc kinh độ, vĩ độ và cao độ Ngoài ra, ta cần phải ước đoán được sai số do độ lệnh về thời gian giữa vệ tinh và máy thu Vệ tinh thứ tư S4 sẽ đóng vai trò hiệu chỉnh sai số phép đo

do sai số đồng hồ của thiết bị định vị GPS này Sở dĩ có sự lệnh thời gian giữa thiết bị thu và phát tín hiệu là do hầu hết các thiết bị định vị GPS có giá thành tương đối rẻ, xấp xỉ 100 USD, vì thế nên đồng hồ thời gian không thể là loại

có độ chính xác cao Ví dụ tốc độ ánh sáng là 3.108 m/s, nếu đồng hồ của thiết

bị nhận GPS có sai số là 0,001s hay 1ms thì sẽ gây ra một sai số về khoảng cách là 0,001x3.108 m = 300 000 m hay 300km Tuy nhiên vì lí do là sai số thời gian của thiết bị nhận là như nhau đối với tất cả các vệ tinh, do đó nên ta

có thể căn cứ vào độ lệch khoảng cách đo với khoảng cách thực của vệ tinh S4 để hiệu chỉnh sai số do đồng hồ của thiết bị nhận Như thế vệ tinh S4 sẽ đóng vai trò hiệu chỉnh sai số đồng hồ của thiết bị nhận GPS Bằng cách ước lượng sai số này mà sai số của phép định vị GPS có thể giảm xuống dưới 10

mét Phương pháp định vị máy thu GPS nhờ theo dõi đồng thời 4 vệ tinh được

mô tả ở Hình 3

Trong trường hợp thiết bị thu GPS chỉ nhìn thấy được 3 vệ tinh trên bầu trời thì ta vẫn có thể xác định vị trí của thiết bị này một cách chính xác bằng cách cố định cao độ của thiết bị thu này ở một giá trị xác định, ví dụ như ở cao độ mực nước biển Khi đó ba vệ tinh sẽ cho ta các giá trị kinh độ, vĩ độ và thời gian

Nói chung, hiện nay số vệ tinh có mặt trên quĩ đạo là 24 và tại một vị trí bất kỳ nào trên trái đất và tại một thời điểm bất kỳ nào cũng có thể nhìn thấy được ít nhất 6 vệ tinh

Một ưu điểm nữa của hệ thống GPS là do các vệ tinh ở các độ cao rất lớn (khoảng từ 20000 km đến 25000 km) so với bề mặt trái đất nên hệ thống GPS

có thể ứng dụng không chỉ cho các thiết bị trên mặt đất mà còn có thể ứng dụng cho cả các máy bay ở độ cao trên dưới 10000 km

Hình 3 Cách định vị GPS trong không gian

Vệ tinh S1

Vệ tinh S2

Vệ tinh S3

Vệ tinh S4

3 Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) của NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing and Ranging) [3] là một hệ thống định vị dựa trên cơ sở các vệ tinh được triển khai bởi bộ quốc phòng Mỹ Công việc của hệ thống được bắt đầu vào năm 1973 do sự phối hợp giữa

chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của lực lượng Không quân Mỹ Cả hai chương trình này đã được xây dựng trong khoảng giữa những năm 1960 để triển khai hệ thống dẫn hướng hàng hải bằng phép

đo các cự ly

Hình 4 Cấu trúc hệ thống định vị vệ tinh GPS

Hệ GPS bao gồm ba phần Hình 4: đó là phần không gian, phần người sử dụng và phần điều khiển Phần không gian hiện nay gồm có 24 vệ tinh đang làm việc và một số vệ tinh dự phòng Các vệ tinh được phóng gần đây là loại Block II, là loại cải tiến của thế hệ Block I Các vệ tinh này được sắp xếp trên

sáu mặt phẳng quỹ đạo nghiêng góc 550 so với mặt phẳng xích đạo Mỗi vệ tinh bay trên một quĩ đạo riêng ở độ cao danh nghĩa là 20.183km Khoảng thời gian cần thiết để một vệ tinh bay quanh quĩ đạo một vòng là 12 giờ hằng tinh, tương đương với một nửa thời gian quay của trái đất Các vệ tinh được trang bị hệ đồng hồ chính xác để vệ tinh có thể phát các tín hiệu mang thông điệp về thời gian Mỗi vệ tinh phát ra hai tần số vô tuyến phục vụ mục đích định vị: tín hiệu L1 trên tần số 1.575,42 MHz và L2 trên tần số 1.227,6MHz Các tần số sóng mang được điều biến bởi hai mã giả-ngẫu nhiên (pseudo-random)

Phần điều khiển bao gồm bốn trạm giám sát được phân bố quanh bề mặt trái đất ở Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein và Hawaii

và một trạm điều khiển chính được bố trí tại trung tâm điều hành không gian tập trung tại Colorado Springs, tiểu bang Colorado, Mỹ Mục đích của phần điều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của chúng, xử trí các đồng hồ nguyên tử và truyền các thông điệp cần phổ biến lên các vệ tinh Cả năm trạm đều là các trạm giám sát theo dõi các tín hiệu GPS

để dùng vào việc kiểm soát các vệ tinh và dự đoán quĩ đạo của chúng Công việc theo dõi được thực hiện bởi những máy thu hai tần số có trang bị dao động ký Cesium Các thông số khí tượng được thu thập để có thể đánh giá một cách chính xác nhất trị thời gian trễ trong tầng đối lưu Vị trí quan sát của các trạm này được xác định với độ chính xác rất cao

Ba trong số các trạm này (Diego Garcia (Ấn độ dương), đảo Ascension, Kwajalein) có khả năng chuyển các số liệu lên vệ tinh, bao gồm các lịch thiên

văn mới, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ và các số liệu thông điệp cần phát đồng thời ra các lệnh điều khiển từ xa Chỉ có một trạm ở Colorado Springs là trạm điều khiển chính

Từ các trạm giám sát, các số liệu theo dõi vệ tinh được truyền về trạm điều khiển chính để xử lý Công việc xử lý bao gồm việc tính lịch thiên văn của các vệ tinh và tính các trị hiệu chỉnh đồng hồ của các vệ tinh Ngoài ra, trạm điều khiển chính còn đảm trách việc điều khiển các số hiệu chỉnh quỹ đạo khi một vệ tinh nào đó đi lạc quá xa vị trí đã được chỉ định, trạm điều khiển chính này còn khởi động các thao diễn cần thiết để thay các vệ tinh đã ngừng hoạt động bằng các vệ tinh dự phòng

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 sóng mang hoặc đồng thời cả hai và trong hầu hết các trường hợp đều tiếp nhận các thông điệp phát tín Các máy thu dưới mặt đất sẽ nhận được các tín hiệu phát ra từ vệ tinh Với tốc độ truyền của thông điệp được biết trước, máy thu có thể xác định được khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh phát bằng cách nhân tốc độ truyền tín hiệu với khoảng thời gian chênh lệch giữa lúc phát và lúc nhận Nếu các cự ly tới 4 vệ tinh được liên kết với các thông số về quĩ đạo của vệ tinh tương ứng thì máy thu có thể xác định vị toạ độ của máy Trong một số ứng dụng trong công tác trắc đạc chính xác, người ta còn đo và ghi nhớ pha tần số của mã hoặc sóng mang để xử lý về sau

Hệ thống GPS dân sự có thể cho phép xác định vị trí của máy thu với độ chính xác dưới 100 mét Để có thể đạt được độ chính xác cao hơn, người ta có thể dùng kết hợp định vị với một máy thu GPS khác đặt ở một vị trí được biết trước

4 Các khái niệm cơ bản về hệ GPS

4.1 Các vệ tinh trong không gian

Hệ thống định vị GPS sử dụng 24 vệ tinh [3], bay ở các quĩ đạo cách mặt đất hơn 20.000 km Thời gian bay một vòng quanh quĩ đạo của vệ tinh là 12

giờ Các vệ tinh được sắp xếp sao cho gần như tại bất kỳ thời điểm nào và tại bất kỳ một điểm nào trên thế giới chúng ta cũng có thể nhận tín hiệu từ ít nhất

6 vệ tinh Chúng ta cần nhận được nhiều tín hiệu từ các vệ tinh khác nhau để

có thể xác định đầy đủ các toạ độ về vị trí đang đứng Để có được giá trị thời gian đúng, mỗi vệ tinh được trang bị các đồng hồ loại rất chính xác, đến khoảng ba phần tỷ của một giây Hình dáng bên ngoài của một vệ tinh block

II như được trình bày ở Hình 5

Hiện nay, người ta đã có kế hoạch cho thế hệ vệ tinh GPS tiếp theo, gọi

là thế hệ Block III Vệ tinh Block II có trọng lượng khoảng 845kg, nếu được trang bị khoang phát hiện hạt nhân NUDET (NUclear DETection) thì sẽ có trọng lượng lớn hơn Thời gian làm việc trung bình của mỗi vệ tinh là 7 năm rưỡi

Một số nhiệm vụ chính của các vệ tinh GPS:

 Ghi nhận và lưu trữ thông tin được truyền đi từ bộ phận kiểm soát

 Thực hiện các phép xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh bằng các

bộ vi xử lý đặt trên vệ tinh

Hình 5 Vệ tinh GPS block II

 Duy trì độ chính xác cao của thời gian bằng các dao động ký: hai dao động ký bằng chất cesium và hai dao động ký khác bằng hồng ngọc rubidium đặt trên vệ tinh

Hình 6 Phân bố vệ tinh GPS trên quĩ đạo

 Chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng bằng những tín hiệu khác nhau

 Thay đổi quĩ đạo bay nhờ những tên lửa đẩy được điều khiển bởi các kỹ thuật viên điều hành hệ thống

Sơ đồ mô tả phân bố 24 vệ tinh trong quĩ đạo quanh trái đất được trình bày qua Hình 6 Qua hình, ta có thể thấy 24 vệ tinh được chia thành 6 nhóm, mỗi nhóm có một mặt phẳng quĩ đạo riêng Mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 vệ tinh được phân bố đều Hai vệ tinh kế cận trên cùng một quĩ đạo cách nhau một góc 600 (tính trong mặt phẳng quĩ đạo) Góc nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo l 550

4.2 Cấu trúc gói dữ liệu GPS

Một gói dữ liệu GPS (GPS navigation data frame) chứa 1500 bit, được chia đều thành 5 vùng (subframe) bằng nhau (300 bit mỗi vùng), cứ sau 30s lại có một gói dữ liệu được truyền đi Vùng đầu tiên chứa thông tin hiệu chỉnh đồng hồ, vùng thứ 2, 3 cung cấp thông tin về về quỹ đạo thông qua lịch thiên văn (ephemeris data)

Các vùng thứ 4, 5 chứa các nội dung khác của thông điệp cần truyền đi, gồm có lịch năm, cường độ tín hiệu của tất cảc các vệ tinh, hệ số mô hình trễ tầng điện ly, hệ số thời gian UTC Nội dung chọn vẹn của một thông điệp được chứa trong 25 gói gửi đi liên tiếp Nội dung dữ liệu trong mỗi vùng được kiểm soát lỗi bằng cách sử dụng bit chẵn lẻ (parity bits) Tất cả các vùng trong một gói dữ liệu đều chứa 2 trường TLM (telemetry word) và HOW (handover word) TLM dùng để đánh dấu điểm đầu của mỗi vùng, HOW chứa thông tin về thời gian hệ thống GPS dùng xác định vị trí các vệ tinh và khoảng cách từ thiết bị thu đến vệ tinh

Hình 7 N ội dung gói dữ liệu GPS

4.3 Phương pháp xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu

Sóng điện từ truyền từ vệ tinh tới máy thu có thể được biểu diễn như sau:

lượng chu kỳ pha bằng cách trộn tần số tín hiệu đến với một tần số đã biết Ta

có thể xác định được khoảng cách trên đường truyền sóng tại một thời điểm bất kỳ như sau:

Do số lượng chu kỳ pha:

Nên suy ra:

x = n (λ/2π) (4) Đối với phương pháp thứ hai này, yêu cầu phải biết chính xác tần số của tín hiệu do vệ tinh gửi đi và phải tìm được chính xác số lượng chu kỳ pha của tín hiệu trên đường truyền sóng

Ở phương pháp thứ nhất, với một sai lệch do không đồng bộ giữa đồng

hồ thời gian bên máy phát đặt trên vệ tinh và đồng hồ bên máy thu sẽ dẫn đến một giá trị sai số rất lớn Đó là vì trong môi trường tự do, sóng radio truyền đi với vận tốc ánh sáng c và chỉ với một sai số nhỏ về thời gian truyền cỡ 1µs cũng sẽ gây ra sai số là 300m

Với phương pháp thứ hai, yêu cầu các bộ dao động trong các máy phát

và máy thu phải đồng bộ hoàn toàn về tần số và pha Khi đó số đo khoảng cách được tính bằng hiệu số giữa pha tín hiệu đến và pha của bộ dao động có trong máy thu Hiệu pha dùng để tính khoảng cách bao gồm cả số lượng chẵn tròn và số lẻ chu kỳ pha trong khoảng từ 00 đến 3600 Tuy nhiên, chúng ta chỉ

có thể đo trực tiếp được số lẻ của hiệu pha và như thế là chưa đủ Chúng ta cần phải dùng một phương pháp nào đó để có thể tìm được chính xác số nguyên lần các chu kỳ pha này Khó khăn chính là ở tính nhập nhằng của số lượng chu kỳ

Với mỗi máy thu GPS, về cơ bản chỉ có thể thực hiện hai loại số đo: số

đo giả cự ly và số đo chu kỳ pha sóng mang

Là phương pháp xác định thời gian truyền sóng bằng cách so sánh một bản sao của mã ở máy thu và một mã khác nhận được từ vệ tinh Số đo giả cự

ly là tích của tốc độ truyền sóng và giá trị biến đổi thời gian cần thiết Trên lý thuyết, giá trị biến đổi thời gian là giá trị chênh lệch giữa thời gian nhận được nhận được tín hiệu (đo bằng hệ thời gian của máy thu) và thời gian phát tín hiệu (đo bằng hệ thời gian của vệ tinh) Trong thực tế, hai hệ thời gian này

không đồng nhất và gây nên sai số vào giá trị đo giả cự ly Vì thế nên các số

đo thời trễ sai lệch này được nói đến như là những số đo giả cự ly

Người ta dùng một bộ dò tương quan, điều khiển bằng một vòng lặp khoá thời trễ để tìm số đo giả cự ly Bộ dò này có nhiệm vụ so hàng tương quan giữa bản sao của mã tạo ra từ máy thu và mã thực đến từ vệ tinh Hình 8

Hình 8 Xác định tg truyền bằng phương pháp dò tương quan

Vì vậy số đo giả cự ly chính là giá trị thời trễ cần phải bổ xung vào thời điểm của đồng hồ của máy thu để đảm bảo bản sao mã trong máy thu và mã nhận được từ vệ tinh là tương quan với nhau

Một qui tắc dựa trên kinh nghiệm dùng để tính độ chính xác của các giá trị đo giả cự ly là lấy 1% của đoạn thời gian giữa hai thời điểm bắt đầu của hai

mã liên tiếp Đối với mã P, đoạn thời gian này là 0,1µs tức là độ chính xác thời gian là 1ns Với độ chính xác thời gian này thì ta có thể tính được độ chính xác về khoảng cách đo là 30cm Đối với mã C/A có đoạn thời gian này

là 1µs thì độ chính xác về khoảng cách đo sẽ là 3m

Bởi vì thực tế không có khả năng giữ cho hai đồng hồ trên vệ tinh và máy thu đồng bộ một cách hoàn hảo về mặt vật lý nên người ta thường phải thực hiện bằng phương pháp toán học Nói chung, mỗi đồng hồ sẽ chạy theo một tốc độ riêng và giữ thời gian riêng Mặc dù vậy, nếu biết trước được mối quan hệ giữa hai gốc thời gian (được xác định bằng đồng hồ) thì người ta vẫn

có thể nói chúng là đồng bộ với nhau Đương nhiên, khó khăn chính là ở chỗ xác định mối quan hệ giữa hai gốc thời gian này Hệ GPS làm việc dựa trên

cơ sở giả thiết là tất cả các đồng hồ vệ tinh GPS là đồng bộ Điều này có thể đạt được bằng cách đo một cách chính xác các trị số chênh lệch thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được đếm giờ bởi những bộ điều khiển được đặt tại các trạm điều khiển mặt đất của hệ GPS, đồng thời kết hợp các số hiệu chỉnh toán học nhận được vào trong thông điệp vệ tinh phát tới máy thu của người sử dụng Vì vậy, người sử dụng có thể giả thiết mọi cự ly GPS, được đo đồng thời bằng các máy thu GPS, là liên quan đến cùng một đồng hồ

Là phương pháp đo dựa trên pha của tín hiệu sóng dư rớt lại khi sóng mang từ vệ tinh truyền đến máy thu (đã bị ảnh hưởng của dịch chuyển Doppler) khác pha với sóng do máy thu tạo ra Giá trị này có thể tìm thấy từ kênh tương quan hoặc kênh cầu phương Kênh cầu phương thực hiện phép bình phương tín hiệu để nhận được hàm tuần hoàn thứ hai của sóng mang không chứa các nội dung điều biến của mã

Kênh cầu phương sóng mang được tính như sau:

y2 = A2 cos2(ωt+φ) = 0,5 A2 [1+cos(2ωt+2φ)] (5)

Vì A(t) là chuỗi liên tục các trị số +1 và -1 thể hiện nội dung của mã nên A(t)2luôn luôn có giá trị bằng 1, do đó nội dung của mã bị loại bỏ Khi đó tín hiệu y2 chỉ còn lại sóng mang nhưng có tần số lớn gấp đôi tần số ban đầu Bởi vì chiều dài bước sóng của sóng mang ngắn hơn nhiều lần chiều dài

bước sóng của bất kỳ mã nào nên độ chính xác của giá trị đo số chu kỳ pha của sóng mang cao hơn nhiều so với kết quả nhận được từ phương pháp đo giả cự ly Đối với sóng mang L1 của hệ thống GPS, chiều dài bước sóng khoảng 20cm Nếu cho rằng các số đo chu kỳ pha có thể đạt độ chính xác 1%

bước sóng thì độ chính xác về khoảng cách có thể đến 2mm

Tuy có độ chính xác cao như trên nhưng phương pháp đo số chu kỳ pha sóng mang có hai nhược điểm chính, đều liên quan đến vấn đề không xác định của chu kỳ

Rất khó xác định chính xác số lượng số nguyên lần chu kỳ sóng mang

truyền đi từ vệ tinh đến máy thu Có một cách giải quyết là dựa vào những số

đo được coi là có cùng một trị số không xác định về số lượng chu kỳ sóng mang được truyền

Hầu hết các máy thu đều có thể đếm được số nguyên lần chu kỳ sóng mang khi có sự thay đổi khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu tại mọi thời điểm Tuy nhiên vì nhiều lý do khác nhau (ví dụ như tín hiệu bị nhiễu hoặc ăng ten bị che khuất) mà các máy thu sẽ bị lẫn về số chu kỳ Để khắc phục nhược điểm này, có thể áp dụng các tính toán xử lý hậu kỳ để phát hiện và hiệu chỉnh những nhầm lẫn đó Tuy nhiên, khả năng có các nhầm lẫn về chu

kỳ cũng sẽ hạn chế phương pháp đo số chu kỳ pha sóng mang trong các ứng dụng định vị theo thời gian thực

Máy thu GPS là phần cứng dùng để theo dõi vệ tinh, thu nhận các tín hiệu vệ tinh đã được miêu tả ở phần trên Cấu trúc cơ bản của một máy thu GPS được trình bày như sơ đồ ở Hình 9 bao gồm:

 Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại

4.4.1 Ăng ten và bộ tiền khuyếch đại:

Các ăng ten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng, vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như các đĩa ăng ten thu sóng

vệ tinh Các ăng ten này tương đối chắc chắn và có thể đặt trên chân chạc ba hoặc lắp trên các phương tiện giao thông hoặc tích hợp trong các thiết bị cầm tay với kích thước chỉ hơi lớn hơn ăng ten của điện thoại di động Vị trí thực

sự được xác định là trung tâm pha của ăng ten

Hình 9 S ơ đồ khối máy thu GPS

4.4.2 Phần nhận tần số vô tuyến RF:

Bao gồm các vi mạch điện tử xử lý tín hiệu kết hợp với các mạch số hoá

và mạch tương tự Máy thu có thể dùng các kỹ thuật xử lý tín hiệu khác nhau Các kỹ thuật này có thể kể ra như sau:

 Tương quan mã

 Pha và tần số mã

 Cầu phương tín hiệu sóng mang

Phần nhận tần số vô tuyến RF Bộ vi xử lý

Nguồn nuôi

Cổng giao diện hoặc khối điều khiển và hiển thị

Bộ nhớ Ăng ten và bộ tiền

khuyếch đại

Phần tần số vô tuyến RF bao gồm các kênh sử dụng một trong ba kỹ thuật nói trên để theo dõi một tín hiệu GPS nhận được Số lượng các kênh biến đổi tuỳ theo các yêu cầu theo dõi đồng thời bao nhiêu vệ tinh

4.4.3 Bộ điều khiển:

Là phần cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lý Kích thước

và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng rất khác nhau, bắt đầu từ kiểu thiết bị cầm tay đến những kiểu thiết bị có màn hình giao diện đa năng

4.5 Giao thức dành cho máy thu GPS

NMEA là chuẩn giao thức được sử dụng phổ biến nhất trong các máy thu GPS hiện nay Được phát triển bởi Hiệp hội Điện tử hàng hải quốc tế (National Marine Electronics Association), đến nay NMEA có 4 phiên bản,

đó là NMEA 1.5, NMEA 2.0, NMEA 2.3 và NMEA 3.01 Giao diện truyền thông của máy thu GPS được định nghĩa trong NMEA là chuẩn RS-232, tốc

độ truyền dữ liệu phổ biến là 4800 baud, một số máy thu GPS hiện đại có thể truyền dữ liệu với tốc độ 9600 baud Các thông điệp gửi đi từ máy thu GPS có

độ dài tối đa là 82 ký tự mã ASCII và được gọi là các câu Số lượng thông điệp là khác nhau đối với mỗi phiên bản giao thức Một máy thu GPS có thể gửi đi khoảng 26 loại thông điệp khác nhau Các loại thông điệp được phân

biệt với nhau bằng 5 ký tự dầu tiên ngay sau dấu $ Bảng 1 dưới đây là các ký

tự nhận dạng của một số thông điệp được định nghĩa trong phiên bản NMEA 2.0

GPAPB Auto Pilot B

GPBOD bearing, origin to destination

GPGGA fix data

GPGLL Lat/Lon

GPGSA overall satellite reception data, missing on some Garmin

models GPGSV detailed satellite data, missing on some Garmin models GPRMB minimum recommended data when following a route

GPRMC minimum recommended data

GPRTE route data, only when there is an active route (this is

sometimes bidirectional)

GPWPL waypoint data, only when there is an active route (this is

sometimes bidirectional)

Bảng 1 Các loại thông điệp GPS

Các ví dụ sau minh hoạ việc giải mã nội dung một số thông điệp nhận từ máy thu GPS

Ví dụ 1: Thông điệp GPGGA - Cung cấp thông tin về vị trí trong

không gian 3 chiều

Nội dung nhận được từ máu thu GPS:

$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08, ,545.4,M, , , ,*47

Trong đó:

GPGGA: Loại thông điệp = Global Positioning System Fix Data

123519: Thời gian gửi thông điệp = 12:35:19 UTC

08: Số vệ tinh quan sát được = 8

545.4,M Độ cao so với mặt biển = 545,4 mét

*47 Dữ liệu kiểm soát lỗi bằng phương pháp bit chẵn lẻ = 47

Ví dụ 2: Thông điệp GPRMC – Cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ

chuyển động và thời gian

Nội dung nhận được từ máu thu GPS:

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4, ,230394, ,*6A Trong đó:

GPRMC Loại thông điệp = Recommended Minimum kiểu C

123519: Thời gian gửi = 12:35:19 UTC

A: Trạng thái thông diệp: A=active hoặc V=Void

4807.038,N: Vĩ độ = 48 deg 07.038' N

01131.000,E: Kinh độ = 11 deg 31.000' E

022.4: Tốc độ chuyển động, tính bằng đơn vị knots

230394 Ngày gửi = 23 – 03 – 1994

*6A Dữ liệu kiểm soát lỗi bằng phương pháp bit chẵn lẻ = 6A

4.6 Các phép định vị được thực hiện bằng máy thu GPS

Hệ GPS có thể dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động Khi định vị các vật thể tĩnh thì ta gọi đó là phép định vị tĩnh

Tương tự, ta có phép định vị động dùng cho các vật thể chuyển động Trong

cả hai cách này, dù kết quả vẫn chỉ là khoảng cách nhưng trên thực tế, do ăng ten tĩnh hoặc chuyển động nên dẫn đến những khác nhau rất lớn

Nếu ăng ten cố định, chúng ta có thể quan trắc nhiều cự ly đến những vệ tinh khác nhau Việc làm này cho phép ta có các số đo dư thừa, giải nghiệm tổng quát (theo phép bình phương nhỏ nhất) từ nhiều số đo và nhận được vị trí cần được xác định với độ chính xác cao hơn Khi ăng ten chuyển động, chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định tức thời dưới điều kiện không

có số đo dư thừa (thông thường chỉ có 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời)

Trong trường hợp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho có thể cải thiện được giá trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc

là các trị quan trắc có thể được xử lý sau khi đã kết thúc giai đoạn thu thập dữ liệu Việc xử lý các giá trị sau khi đo được gọi là xử lý hậu kỳ và cho ta các nghiệm xử lý hậu kỳ (postprocessed solution)

Trong phép định vị động, người ta thường tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực Nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí tại một thời điểm Một chuỗi kết quả của các giá trị vị trí (lộ trình rời rạc của phương tiện) cũng có thể được xử lý hậu kỳ bằng cách sử dụng một trong những thuật toán đường cong trơn hiện có

Sai số của các phép định vị tĩnh và động tuỳ theo máy thu Một số máy thu có thể đạt đến độ chính xác định vị dưới 10m Tuy nhiên để đạt được độ

chính xác định vị cao hơn, đến dưới 1m thì người ta có thể dùng phép định vị

tương đối

4.6.1 Phép định vị tương đối:

Khi đòi hỏi có độ chính xác cao thì cần sử dụng phép định vị tương đối, được trình bày ở Hình 10 Như vậy thay vì quan tâm đến các giá trị toạ độ của máy thu ta sẽ nhận được giá trị độ lệch toạ độ tương đối giữa hai máy thu Trong kiểu đo này, hai ăng ten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu của một đường đáy cần quan trắc và phải làm việc đồng thời Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc đồng thời thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường đáy Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm thiểu một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối

Hình 10 Phép định vị tương đối với hai máy thu GPS

Một kiểu định vị tương đối khác là kiểu định vị tương đối dạng bán động Kiểu định vị này là sử dụng một máy thu tĩnh và một máy di động đo ở khu vực xung quanh Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục bảo đảm độ chính xác tốt hơn một chu kỳ (20cm) của tín hiệu pha sóng mang trong các giá trị định vị tương đối giữa máy thu tĩnh

và máy thu di động Ý nghĩa của kiểu định vị này là các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều của số đo pha sóng mang

Máy thu 1

Máy thu 2 (∆X,∆Y,∆Z)

Hình 11 Phép định vị nhiều máy thu

Một cách khác để cải thiện độ chính xác định vị là phép định vị nhiều máy thu được bố trí dưới dạng một mạng lưới định vị như Hình 11 Nói chung, một mạng lưới luôn có cường độ cấu hình mạnh hơn về mặt hình học

so với một đường đáy đơn độc vì có độ dư thừa số đo cao hơn Các đường đáy kết nối trong mạng lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học Các giá trị đo dư thừa được dùng để điều khiển ảnh hưởng của những sai số khác nhau, ngẫu nhiên cũng như hệ thống, tiềm

ẩn trong các giá trị quan trắc được Ngay cả khi chỉ có hai máy thu cũng nên liên kết các đường đáy thiết kế thành một mạng lưới để cải thiện được độ chính xác vị trí điểm

Khi triển khai nhiều máy thu, sẽ có một số vấn đề nảy sinh Đó là các vấn đề về cách thức dịch chuyển các máy thu và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm đo riêng biệt Giải pháp sẽ là tối ưu hoá thời gian quan trắc để đạt độ chính xác tốt nhất

Máy thu 1

Máy thu 2

Máy thu 4 Máy thu 3

ly tới mỗi vệ tinh và những cự ly tính được từ vị trí biết trước của máy thu tĩnh tại và đồng hồ (tức là sai số khép độ dài) và từ đó có những biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quĩ đạo, trong trị thời trễ khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ Nguyên tắc định vị động tương đối được trình bày ở Hình 12

Hình 12 Phép định vị động tương đối

Người ta truyền khoảng chênh vị trí (position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lạc theo thời gian thực Kết quả cho thấy các giá trị toạ độ nhận được chính xác hơn và việc bổ xung số hiệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng chênh vị trí Số hiệu chỉnh thời gian thực đã nâng cao cả độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động

Máy thu tĩnh tại có thể coi như một giả vệ tinh (pseudolite) đặt cố định tại một điểm để truyền tín hiệu và thông điệp đã được mã hoá bằng cùng một

cách giống như những tín hiệu và thông điệp đã được truyền qua vệ tinh Cách làm này có lợi điểm là đã cho thêm được một tín hiệu đo từ một vị trí chuẩn trên mặt đất nhưng lại yêu cầu phải thiết lập được đường truyền tín hiệu giữa hai máy thu

5 Các nguyên nhân gây sai số GPS và cách giải quyết

Nói chung có thể phân chia sai số đo GPS thành các loại như sau:

 Do độ lệch của vệ tinh

 Do độ lệch của các trạm đo

 Do phương pháp đo

Nguyên nhân sai số do độ lệch của vệ tinh bao gồm sai lệch trong lịch

thiên văn của vệ tinh và sai lệch trong mô hình đồng hồ vệ tinh được cung cấp trong các thông điệp phát sóng Sai lệch trong lịch thiên văn của vệ tinh nghĩa

là vệ tinh không ở đúng vị trí do thông điệp dữ liệu phát sóng được truyền đi Sai lệch trong mô hình đồng hồ vệ tinh tức là độ lệch của các đồng hồ vệ tinh,

kể cả các độ lệch mô hình thông điệp phát sóng không hoàn toàn đồng bộ với thời gian GPS

Nguyên nhân gây sai số do độ lệch của các trạm đo bao gồm sai lệch

đồng hồ máy thu và sai số toạ độ của các điểm mốc định vị trong các phép định vị vi sai

Nguyên nhân sai số do phương pháp đo bao gồm những sai lệch trong

việc phát tín hiệu, sai lệch của kiểu đo (như sai số do trị nhập nhằng trong các giá trị đo pha sóng mang)

Để giảm thiểu những nguyên nhân gây sai số này, nguyên tắc cần thực hiện là phải tiến hành lập mô hình các sai số với các đối số như thời gian, vị trí, nhiệt độ…

Ngoài ra, độ chính xác của toạ độ và thời gian thu nhận qua hệ GPS còn phụ thuộc vào một số yếu tố ngoài Hai trong số đó là cường độ hình của cấu

hình vệ tinh được sử dụng và các sai số ảnh hưởng tới chính các số đo cộng với tàn dư của các sai lệch sau khi các ảnh hưởng chính đã được mô hình hoá Sau đây là một số nguyên nhân gây sai số

5.1 Sai lệch đồng hồ khi đo thời gian

Các số đo GPS liên quan mật thiết với các phép đo thời gian chính xác Các vệ tinh GPS sẽ truyền đi thời gian bắt đầu phát thông điệp đã được mã hoá riêng của chúng Máy thu đo thời gian chính xác khi thu mỗi tín hiệu, vì vậy, ngừơi ta có thể tính được số đo của cự ly tới vệ tinh nhờ thời gian trôi qua kể từ lúc phát sóng đến lúc thu sóng tín hiệu vệ tinh Nhưng điều này được thực hiện theo giả thiết là cả hai đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là chạy cùng theo một mốc thời gian Bất kỳ giá trị chênh lệch về thời gian giữa hai đồng hồ cũng sẽ tạo ra sai số cự ly do người sử dụng Ví dụ như chỉ với độ lệch 1 micrô giây giữa hai đồng hồ cũng sẽ tạo ra một sai số cự ly là 300m Các vệ tinh được trang bị cả hai loại chuẩn tần số nguyên tử rubidium và cesium Môi trường không gian rất tốt với đồng hồ nhưng đồng hồ được chạy một cách tự nhiên và lệch ra khỏi hệ thống thời gian GPS tiêu chuẩn Tổng số thời gian lệch được yêu cầu dưới 1 micrô giây Tổng số thời gian sai lệch

thường được xác định khá chính xác và được chứa trong thông điệp phát sóng

dưới dạng các hệ số của một đa thức:

dt = a0 + a1(t-t0)+ a2(t-t0)2 (6) Trong đó t0 là thời điểm thời gian tham chiếu, a0 là hằng số chênh lệch thời gian của đồng hồ vệ tinh, a1 là hệ số chênh lệch tần số thành phần và a2

là hệ số trôi giạt tần số thành phần Tính đồng bộ giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ trong khoảng 20 nano giây bằng cách hiệu chỉnh thời gian phát sóng còn thời gian GPS thì được đồng bộ với thời gian UTC trong khoảng 100 nano giây

Hiện nay, đa phần các máy thu GPS đều được trang bị các đồng hồ tinh thể thạch anh chất lượng cao với độ chính xác lên tới 1 phần 1010 và do đó sai lệch do nguyên nhân đồng hồ cũng được giảm thiểu đi khá nhiều

5.2 Sai lệch quĩ đạo vệ tinh

Các sai lệch về lịch thiên văn của vệ tinh là một vấn đề gây khó khăn nhất Những sai số lịch thiên văn đòi hỏi phải có một ước lượng chính xác hơn về quĩ đạo vệ tinh Quá trình chỉnh lý lịch thiên văn thường gặp khó khăn

do thiếu hiểu biết về các lực tác động lên vệ tinh (do không thể đo trực tiếp và đầy đủ) Hiện nay, nếu sử dụng các số liệu quĩ đạo do các lịch thiên văn phát sóng cung cấp thì vị trí lệch tối đa của vệ tinh khỏi quĩ đạo là khoảng 5 đến 10m

Biện pháp chính để giải quyết sai lệch quĩ đạo vệ tinh là xây dựng mô hình môi trường quanh vệ tinh với các tham số có mức ảnh hưởng lớn để xác định các sai lệch của lịch thiên văn

Các số liệu về quĩ đạo chính xác rất cần thiết cho việc tính toán các giá trị quan trắc do máy thu nhận được để tìm ra toạ độ vị trí của người sử dụng Trong trường hợp tính toán vị trí một điểm, ta sẽ thấy ngay là bất cứ một sai

số trong lịch thiên văn nào cũng sẽ làm gia tăng sai số về khoảng cách tương đương và sẽ làm sai lệch các kết quả vị trí điểm cuối cùng

Đối với phép định vị tương đối, ảnh hưởng của sai lệch về quĩ đạo vệ tinh đến vị trí toạ độ cuối cùng có thể được giảm nhẹ bởi vì với một khoảng cách giữa hai điểm thường luôn nhỏ hơn nhiều lần so với khoảng cách từ các điểm này đến vệ tinh, theo lý thuyết đường đáy ngắn, ta có thể bỏ qua sai số

quĩ đạo vệ tinh Công thức để tính véc tơ sai số db của véc tơ đường đáy b

dưới dạng một hàm của các véc tơ sai số dri tại vị trí vệ tinh i được dùng để xác định b là:

Trong đó:

ρi là khoảng cách tới vệ tinh thứ i

ei là véc tơ đơn vị tới vệ tinh thứ i

Qua công thức trên ta thấy, db không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của ρi , b

và dr mà còn phụ thuộc vào hướng của các véc tơ này Nghiệm của đường đáy phụ thuộc vào các số đo nhận được từ nhiều vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định cũng khác nhau Công thức xác định ảnh hưởng của sai số

vị trí vệ tinh drk tới nghiệm này như sau:

Ta có thể sử dụng một công thức kinh nghiệm trong định vị điểm và định

vị tương đối Qui tắc kinh nghiệm được nêu ra là một cận trên của sai số

đường đáy //db// được coi như là một hàm của sai số lịch thiên văn quĩ đạo vệ

tinh Rõ ràng sai số quĩ đạo ảnh hưởng đến những đường đáy có độ dài một vài chục kilômét Nhưng với những đường đáy lớn hơn, khoảng một vài trăm kilômét thì ảnh hưởng sai số này có thể tăng lên và không thể bỏ qua được

Bảng 2 Bảng tra sai số đường đáy theo sai số vị trí vệ tinh

Các tính toán thực sự về vị trí GPS đòi hỏi phải có thông tin về quĩ đạo chính xác một số công việc khác liên quan đến việc sử dụng GPS cũng đòi

hỏi các tri thức về vị trí của vệ tinh nhưng với độ chính xác thấp hơn nhiều, có thể chỉ cần trong phạm vi một vài trăm kilômét Một công việc loại này chính

là thu tín hiệu vệ tinh

Nếu không biết thông tin gì về vệ tinh thì cần phải tiến hành thao tác khởi động lạnh Đó là việc máy thu sẽ theo dõi tất cả không gian có thể để tìm các vệ tinh Công việc này liên quan đến việc lựa chọn từng mã trong số 32

mã C/A có thể có và khi dự định chốt tại một tín hiệu bất kỳ trong số những tín hiệu vệ tinh thì phải lướt qua tất cả các tần số đã bị dịch chuyển Doppler

có thể có đối với mỗi tín hiệu Thời gian tìm kiếm này sẽ được rút bớt đi nhiều nếu máy thu biết trước có thể nhìn thấy được những vệ tinh nào để hạn chế số lượng theo dõi xuống chỉ còn vài mã trong số 32 mã C/A này Trong trường hợp đã biết trước vị trí của vệ tinh thì người ta có thể dự đoán được trị dịch chuyển Doppler của nó, do đó hạn chế được dải tần trong phạm vi cần phải theo dõi Bằng cách này có thể rút ngắn thời gian theo dõi xuống chỉ còn vài phút

Một khi đã thu được tín hiệu vệ tinh thì thông điệp của vệ tinh sẽ cung cấp cho máy thu vị trí gần đúng của tất cả các vệ tinh GPS khác, nhờ đó có thể thu được tín hiệu của chúng một cách nhanh chóng

Người ta gọi những toạ độ vệ tinh gần đúng được dùng để lập kế hoạch

và hỗ trợ máy thu là những thông báo vệ tinh Để phục vụ các mục đích lập kế hoạch, người ta có thể có nhiều phương pháp trình bày sơ đồ hữu ích khác nhau:

 Sơ đồ tuyến tính về cao độ và phương vị của từng vệ tinh theo thời gian ứng với một vị trí được biết trước

 Sơ đồ cực về cao độ và phương vị của từng vệ tinh quan sát được tại một vị trí được chỉ định dưới dạng hàm theo thời gian

 Sơ đồ lộ trình thể hiện trên bản đồ đường đi của các giao điểm của

bề mặt trái đất với bán kính địa tâm hướng tới vệ tinh

 Sơ đồ quan sát theo thời gian trong ngày của một số vệ tinh được nhìn thấy từ một điểm chỉ định hoặc của một khoảng thời gian mà mỗi vệ tinh đều có thể được nhìn thấy từ một vị trí chỉ định

 Sơ đồ suy giảm độ chính xác theo thời gian trong ngày, thể hiện sự thay đổi cường độ hình học của chòm vệ tinh GPS nhìn thấy

Các số đo pha sóng mang cho khả năng có thể có những thông tin chính xác cao nhất về cự ly từ máy thu tới vệ tinh Tuy nhiên trong đó có một vấn

đề cần giải quyết, đó là trị nhập nhằng của chu kỳ Việc xác định một cách chính xác số lượng đúng chu kỳ của sóng mang được sử dụng trong phép đo pha là một việc cực kỳ khó Các máy thu GPS có thể cung cấp các số đo pha với độ chính xác tích hợp khoảng chừng 1 đến 3 mm, với độ chính xác tổng thể của các số đo này vào khoảng 1 đến 4 cm Tuy nhiên, việc có thể đạt độ chính xác định vị của các số đo pha sóng mang còn tuỳ thuộc vào khả năng có giải được trị nhập nhằng chu kỳ hay không

Ngoài ra, vấn đề này còn bị phức tạp vì thêm sự có mặt thường trực của trị số trượt chu kỳ Một khi các giá trị trượt của chu kỳ đã được phát hiện và được hiệu chỉnh trước khi ước lượng các tham số cuối cùng thì thông thường

có thể ước lượng được trị nhập nhằng chu kỳ cùng các tham số chưa biết còn lại

Nhờ đã biết trước về phương trình tạo ra mã điều biến giả ngẫu nhiên nên người ta có thể loại trừ giá trị nhập nhằng này bằng kỹ thuật dựa trên cơ

sở tổ hợp hiệp đồng giữa các số đo giả cự ly và số đo pha sóng mang hướng tới cùng một vệ tinh Kết quả, giá trị ước lượng trị nhập nhằng trung bình nằm trong khoảng 1 đến 3 chu kỳ

5.4 Ảnh hưởng của cấu hình vệ tinh đến sai số

Theo số lượng vệ tinh phân bố trên các quĩ đạo hiện nay thì tại bất kỳ một vị trí nào trên trái đất và tại bất kỳ thời điểm nào ta cũng có thể quan sát thấy ít nhất là 6 vệ tinh Vấn đề được đặt ra là làm thế nào để chọn lựa những

vệ tinh tốt nhất cho việc định vị điểm Theo lý thuyết thì người ta sẽ phải chọn các vệ tinh này sao cho có thể nhận được độ chính xác định vị điểm của máy thu là cao nhất Một giá trị đo thường được dùng để đo lường mức độ chính xác có khả năng đạt được trên vị trí điểm là hệ số độ suy giảm về độ chính xác DOP thích hợp Vì vậy vấn đề lựa chọn vệ tinh được qui về vấn đề tìm kiếm những vệ tinh cho giá trị DOP nhỏ nhất

Công dụng phổ biến nhất của hệ thống GPS là để định vị điểm trong không gian bốn chiều (kinh độ, vĩ độ, cao độ và thời gian) Khi đó giá trị DOP thích hợp nhất là độ suy giảm về độ chính xác hình học GDOP Thực tế cho thấy rằng GDOP của các máy thu có khả năng theo dõi 4 vệ tinh cùng lúc có liên quan tới thể tích V của tứ diện tạo bởi các véc tơ đơn vị từ máy thu tới 4

vệ tinh Giá trị GDOP tỷ lệ nghịch với thể tích V, vì vậy các vệ tinh phải được lựa chọn sao cho có V cực đại tức là có GDOP cực tiểu Điều này đã cung cấp một thuật toán đơn giản để lựa chọn những vệ tinh tốt nhất trong số các vệ tinh đang được theo dõi Thuật toán này đơn giản tới mức có thể lập một chương trình tính cài đặt bên trong phần mềm của máy thu

Tuy vậy, đối với các máy thu có thể theo dõi nhiều hơn 4 vệ tinh đồng thời nhưng vẫn ít hơn số vệ tinh nhìn thấy được thì người ta lại không dùng

chương trình tính này Tương tự như vậy, nếu GDOP không phải là giá trị thích hợp nhất đối với một ứng dụng GPS nào đó ví dụ như chỉ cần định vị trong mặt phẳng không gian hai chiều thì một lần nữa thuật toán đơn giản này cũng không nhất thiết mang lại sự lựa chọn vệ tinh tốt nhất Cuối cùng đối với phép định vị tương đối và những ứng dụng đo đạc lưới trắc địa thì vấn đề lựa