Nghiên cứu, tìm hiểu một số phương pháp định vị dẫn đường vật thể bay tự hành và khả năng triển khai ở việt nam

Nhằm góp phần chuẩn bị đầy đủ các cơ sở khoa học về định vị dẫn đường vật thể bay bằng các nguyên lí và phương pháp hiện đại trên nền nguyên lí định vị dẫn đường truyền thống, cũng như c

Trương hồng sơn

Nghiên cứu, tìm hiểu một số phương pháp

định vị dẫn đường vật thể bay tự hành

và khả năng triển khai ở việt nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những nội dung nghiên cứu phù hợp với mục đích đề tài đặt ra và chưa được công bố Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả đề tài

Trương Hồng Sơn

Mục lục

Trang

Trang phụ bìa 1

Lời cam đoan 2

Mục lục 3

Danh mục bảng biểu 5

Danh mục hình vẽ, đồ thị 6

Mở đầu 8

Chương 1 Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay tự hành và các yếu tố ảnh hưởng đến quĩ đạo bay 11

1.1 Tổng quan về định vị dẫn đường vật thể bay 11

1.1.1 Giới thiệu về định vị dẫn đường 11

1.1.2 ứng dụng công nghệ định vị dẫn đường của các nước trên Thế giới 13

1.2 Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay tự hành 14

1.2.1 Một số khái niệm 14

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quĩ đạo bay 15

Chương 2 Các nguyên lí và phương pháp định vị dẫn đường cho vật thể bay 18

2.1 Định vị dẫn đường bằng vệ tinh 18

2.1.1 Nguyên lí định vị dẫn đường bằng vệ tinh 18

2.1.2 Các phương pháp cơ bản của định vị vệ tinh 20

2.1.3 Sơ lược một số hệ thống định vị vệ tinh 23

2.1.4 Các phương pháp định vị dẫn đường bằng vệ tinh 29

2.1.5 Hệ thống GNSS 36

2.1.6 Các nguồn sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS 40

2.2 Định vị bằng hệ thống quán tính - trọng trường 42

2.2.1 Thế trọng trường của Trái đất 42

2.2.2 Nguyên lí định vị bằng hệ thống quán tính trọng trường 51

2.2.3 Một số phương pháp định vị bằng hệ thống quán tính 65

2.2.4 Các hệ thống định vị quán tính 67

2.2.5 Các nguồn sai số và độ chính xác của phương pháp định vị quán tính 70

2.2.6 Phương trình trị đo quán tính- trọng trường 72

Chương 3 Phân tích, đánh giá khả năng triển khai các nguyên lí và phương pháp định vị dẫn đường ở Việt Nam… 75 3.1 Khả năng kết hợp của các phương pháp trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam 75

3.1.1 Ưu, nhược điểm của phương pháp định vị quán tính 75

3.1.2 Các lợi thế của việc kết hợp với GNSS 76

3.1.3 Tích hợp cảm biến 76

3.1.4 Các phương án kết hợp 78

3.1.5 Khả năng kết hợp hai phương pháp định vị trong điều kiện Việt Nam 80

3.2 Khả năng kết hợp các phương pháp định vị dẫn đường cho tên lửa chiến thuật Scoud 81

3.2.1 Sơ lược về tên lửa chiến thuật Scoud 81

3.2.2 Một số tính năng chính của tên lửa Scoud B 83

3.2.3 Các góc quay của tên lửa trên đường bay 83

3.2.4 Các lực tác động lên tên lửa khi bay 84

3.2.5 Hệ thống điều khiển tự động của tên lửa Scoud B 88

3.2.6 Khả năng tích hợp hệ thống định vị dẫn đường GPS/INS cho tên lửa Scoud B 91

Kết luận và kiến nghị 97

Tài liệu tham khảo 100

Danh mục bảng biểu

Trang Bảng 3.1 Mô tả triển khai các phương án kết hợp 80

Danh mục hình vẽ, đồ thị

Trang

Hình 1.1 Hệ thống tên lửa S-300 PMUI 14

Hình 1.2 Máy bay không người lái Predator 14

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa tâm quán tính của Trái đất và vệ tinh 18

Hình 2.2 Phương pháp hình học của trắc địa vệ tinh 22

Hình 2.3 Quĩ đạo vệ tinh và vệ tinh GPS 24

Hình 2.4 Các thông tin điều biến sóng tải L1, L2 24

Hình 2.5 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS 25

Hình 2.6 Máy thu tín hiệu vệ tinh 27

Hình 2.7 Quĩ đạo vệ tinh và vệ tinh Glonass 28

Hình 2.8 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển Glonass 29

Hình 2.9 Lực hấp dẫn 43

Hình 2.10 Lực li tâm 43

Hình 2.11 Thế li tâm 49

Hình 2.12 Trục tọa độ của hệ thống dẫn đường quán tính 53

Hình 2.13 Sơ đồ khối của INS 54

Hình 2.14 Ba góc Euler 55

Hình 2.15 Hệ trục tọa độ dẫn đường 57

Hình 2.16 Gyroscope và khung treo Cardan 58

Hình 2.17 Các trục tọa độ của Gyroscope 59

Hình 2.18 Gyroscope ba trục 62

Hình 2.19 Gyroscope hai trục 63

Hình 2.20 Xác định mặt phẳng kinh tuyến 65

Hình 2.21 Xác định độ vĩ địa lí 66

Hình 2.22 Cấu tạo hệ thống gimbal IMU 67

Hình 2.23 Bộ dẫn đường quán tính IRBM-53 của Pháp 68

Hình 2.24 Hệ thống Strapdown ISA 69

Hình 2.25 Các trục toạ độ trong định vị quán tính - trọng trường 73

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ dẫn đường tích hợp GPS/INS 77

Hình 3.2 Luyện tập khởi động tên lửa Scoud 82

Hình 3.3 ảnh hưởng của trọng lực 85

Hình 3.4 Sơ đồ mô tả lực đẩy của tên lửa 86

Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán Kalman 92

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc GPS/INS vòng mở 93

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc GPS/INS vòng kín 93

Hình 3.8 Quĩ đạo theo hướng Bắc khi INS chưa kết hợp GPS 94

Hình 3.9 Quĩ đạo theo hướng Bắc khi INS kết hợp GPS dùng bộ lọc Kalman 95

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Định vị dẫn đường cho các đối tượng trên mặt đất, trên không và trên biển là một nhu cầu thiết yếu mà thực tiễn đặt ra Lịch sử phát triển các phương pháp định vị đẫn đường đã xuất hiện từ rất sớm, nó đã được ứng dụng

để dẫn đường cho máy bay và tàu thủy trong Thế chiến thứ 2 Đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, việc ứng dụng các phương pháp định vị dẫn đường cho các loại vũ khí và phương tiện chiến tranh là một trong những yêu cầu bức thiết nhằm nâng cao hiệu suất chiến đấu, giảm thương vong cho binh sĩ chiến đấu trên chiến trường

Trong mọi tình huống, vấn đề định vị dẫn đường cho vật thể bay trong không gian là bảo đảm sự kiểm soát của con người đã thiết kế ra nó

Ngày nay, khoa học kĩ thuật quân sự Thế giới đã và đang phát triển mạnh mẽ, các công nghệ định vị dẫn đường hiện đại có độ chính xác cao đã

được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cả dân sự lẫn quân sự Tuy nhiên, với Việt Nam đó là bài toán chưa có lời giải hoàn chỉnh mà chỉ mới tiếp cận dưới góc độ lí thuyết cơ bản

Trong khi đó, thực tiễn hoạt động quân sự luôn đặt ra là phải không ngừng nghiên cứu cải tiến, hiện đại hóa vũ khí trang bị nhằm đáp ứng yêu cầu chiến đấu bảo vệ Tổ quốc Việt Nam xã hội chủ nghĩa

Nhằm góp phần chuẩn bị đầy đủ các cơ sở khoa học về định vị dẫn

đường vật thể bay bằng các nguyên lí và phương pháp hiện đại trên nền nguyên lí định vị dẫn đường truyền thống, cũng như chuẩn bị các điều kiện cần thiết để có thể triển khai trong tương lai gần, chúng tôi quyết định lựa chọn đề tài:

''Nghiên cứu, tìm hiểu một số phương pháp định vị dẫn đường vật thể bay tự hành và khả năng triển khai ở Việt Nam"

2 Mục đích nghiên cứu

Để giải quyết bài toán đặt ra, đề tài của chúng tôi nghiên cứu nhằm mục

đích tổng hợp, phân tích, đánh giá về lí thuyết chuyển động của vật thể bay Làm rõ nguyên lí và các phương pháp định vị dẫn đường cho vật thể bay, khả năng tích hợp cùng tồn tại để hỗ trợ lẫn nhau giúp cho việc định vị dẫn đường

đạt độ chính xác cao Từ đó đề ra các giải pháp tích hợp có hiệu quả trên vật thể bay điển hình đó là Tên lửa Scoud Trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu các nguồn tài liệu đó để chuẩn bị đầy đủ cơ sở lí thuyết sẵn sàng đón nhận triển khai khi điều kiện cho phép

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Do sự hạn chế về số liệu thực nghiệm, đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu tìm hiểu, phân tích cơ sở lí thuyết về các nguyên lí và phương pháp định vị dẫn đường, khả năng kết hợp giữa chúng

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của vật thể bay tự hành và các yếu

tố ảnh hưởng đến quỹ đạo bay

- Nghiên cứu các nguyên lí và phương pháp định vị dẫn đường vật thể bay tự hành

- Phân tích, đánh giá khả năng triển khai các nguyên lí và phương pháp

định vị dẫn đường ở Việt Nam

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nhiệm vụ của đề tài đặt ra, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu là tập hợp, tổng hợp, phân tích và so sánh các các kết quả nghiên cứu về mặt lí thuyết để trên cơ sở đó đánh giá khả năng và đề xuất phương án kết hợp giữa các nguyên lí định vị đã được đề cập đến

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Định vị dẫn đường cho vật thể bay nhằm các mục đích khác nhau, đặc

biệt là phục vụ mục đích quân sự còn là vấn đề chưa được phổ biến rộng rãi ở nước ta

Trong điều kiện kĩ thuật hiện đại, đây là bài toán ngày càng trở nên cấp bách Tuy nhiên, các tài liệu khoa học chính thống hiện có ở Việt Nam nghiên cứu về định vị dẫn đường cho vật thể bay là rất ít và còn bí mật Trong khi đó yêu cầu thực tiễn đặt ra là phải nghiên cứu một cách cơ bản lí thuyết định vị dẫn đường, tiến tới giải quyết có kết quả trên phạm vi lãnh thổ, lãnh hải của nước ta, trong đó cần phải sử dụng cả công nghệ mới như công nghệ định vị toàn cầu GPS và công nghệ còn bị hạn chế tiếp cận như định vị quán tính Đây

là hướng nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn đối với Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự, từng bước xây dựng lí thuyết cơ bản về định vị dẫn

đường, chuẩn bị một nền tảng lí thuyết vững chắc cho việc triển khai, ứng dụng trong thực tế

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn bao gồm 03 chương được trình bày trong 92 trang, 01 bảng biểu, 35 hình vẽ, 08 tài liệu tham khảo

Luận văn này đã được hoàn thành trên cơ sở nghiên cứu, tìm hiểu của bản thân dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TSKH Phạm Hoàng Lân, Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ- Địa chất; cùng với sự giúp đỡ cung cấp các nguồn tài liệu của Khoa Tên lửa - Trường sĩ quan Pháo binh và Viện tên lửa Việt Nam

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình, đầy trách nhiệm của GS.TSKH Phạm Hoàng Lân cùng tập thể các nhà giáo Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ- Địa chất đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu cũng như hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn

Chương 1 Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay tự hành

và các yếu tố ảnh hưởng đến quĩ đạo bay

1.1 Tổng quan về định vị dẫn đường vật thể bay

1.1.1 Giới thiệu về định vị dẫn đường

Thời thượng cổ người ta định vị bằng cách đánh dấu lên thân cây, vách hang Sau này, con người dựa vào vị trí các ngôi sao để định vị, đặc biệt là cho các chuyến đi dài ngày trên biển Vào đầu thế kỉ XVII nhu cầu định vị dẫn

đường trở nên bức thiết khi các cường quốc đua nhau xâm lấn thuộc địa và tranh chấp nhau trên biển Vào thời đó, bài toán xác định vĩ độ đã được giải quyết, nhưng bài toán xác định kinh độ lại gần như vô vọng

Như vậy, lịch sử dẫn đường và xác định vị trí ra đời gắn liền với lịch sử dẫn thuyền thám hiểm trên biển trong nhiều thế kỉ trước khi các phương tiện bay trên không như máy bay và hàng không vũ trụ ra đời Từ thời tiền sử, con người đã tìm cách để xác định xem mình đang ở đâu và đi đến một đích nào

đó và trở về bằng cách nào Những hiểu biết về vị trí thường mang tính sống còn và có sức mạnh kinh tế trong xã hội Buổi đầu sơ khai, con người đã biết dựa vào các thiên thể trên bầu trời để dẫn đường, đến sử dụng la bàn để xác

định phương hướng và ngày nay là các phương pháp dẫn đường có độ ổn

định và chính xác cao như dẫn đường quán tính hay bằng hệ thống định vị toàn cầu Chúng ta có thể kể đến các phương pháp dẫn đường đã xuất hiện trong lịch sử như:

- Dẫn đường bằng mục tiêu (Pilotage): là phương pháp dẫn đường và xác định

vị trí dựa vào các mục tiêu nhìn thấy như đỉnh núi, ngọn hải đăng hay các tiêu

tự tạo

- Dẫn đường dự đoán (Dead Reckoning): là phương pháp dẫn đường dựa vào

vị trí xuất phát ban đầu, tốc độ di chuyển và hướng di chuyển để dự đoán vị trí của phương tiện

- Dẫn đường thiên văn (Celestial Navigation): dựa vào việc quan sát các thiên thể như Mặt trăng, Mặt trời và các ngôi sao phát sáng trên bầu trời

- Dẫn đường vô tuyến điện (Radio Navigation): sử dụng các thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một trạm phát cố định có vị trí đã biết, tại thời điểm thu sóng máy thu sẽ tính toán thời gian, khoảng cách và vị trí (tọa độ) của máy thu

- Dẫn đường quán tính (Inertial Navigation): đây là phương pháp dựa trên hiểu biết về vị trí, vận tốc và trạng thái ban đầu của phương tiện, từ đó đo vận tốc

và gia tốc rồi dùng phương pháp tích phân để tính toán ra vị trí của phương tiện Đây là phương pháp dẫn đường duy nhất không dựa vào nguồn tham khảo bên ngoài

Sau này nhờ sự tiến bộ của khoa học cơ bản mà ý tưởng về hệ thống

định vị toàn cầu được nảy sinh Lúc đầu GPS chỉ được phát triển cho các mục

đích quân sự nhưng ngày nay nó đã được sử dụng rộng rãi trong các mục đích dân sự như quản lí và điều hành taxi, thám hiểm, hàng hải Tuy nhiên, GPS lại

có những nhược điểm khó khắc phục khi triển khai thực tế Một trong những

hệ thống định vị dẫn đường được triển khai vào năm1950 đó là hệ thống dẫn

đường quán tính (INS) Đây là một hệ thống có khả năng hoạt động độc lập cho phép xác định vị trí, vận tốc và cao độ của vật thể bay Tuy nhiên, hệ thống này lại gặp những lỗi nghiêm trọng do hiện tượng trôi của các cảm biến gia tốc và vận tốc góc Một phương pháp hiệu quả đó là sử dụng GPS hỗ trợ cho INS mà trái tim là dùng bộ lọc Kalman để ước lượng lỗi của INS nhằm cập nhật vị trí vật thể một cách chính xác hơn

Hệ thống dẫn đường kết hợp GPS/INS có những ưu điểm vượt trội về tốc độ xử lí và kích thước so với các hệ thống trước đó Các cảm biến và chíp

GPS có thể được tích hợp chỉ trên một bản mạch nhỏ và xác định vị trí vật thể một cách chính xác Với sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) như hiện nay thì hệ thống có thể được xây dựng với độ chính xác rất cao và giá thành thấp

1.1.2 ứng dụng công nghệ định vị dẫn đường của các nước trên Thế giới

Có thể nói rằng, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc triển khai và ứng dụng các công nghệ định vị dẫn đường thực sự đa dạng và phong phú với trình độ công nghệ và mục đích khác nhau Tuy nhiên, điều chúng tôi quan tâm ở đây là trong lĩnh vực quân sự với việc ứng dụng công nghệ định vị dẫn đường đã nối dài thêm giác quan mà các nhà quân sự mong muốn, trong

đó phương pháp dẫn đường bằng quán tính đã, đang và sẽ còn triển khai ở các thế hệ vũ khí và phương tiện chiến tranh bên cạnh một thế hệ vũ khí thông minh được dẫn đường bằng hệ thống GNSS và sự kết hợp với hệ thống quán tính (INS) Các nước có tiềm lực về quân sự và trình độ khoa học công nghệ phát triển như Mĩ, Nga, ấn Độ, Trung Quốc đã và đang ứng dụng thành công

định vị dẫn đường cho các loại vũ khí và phương tiện chiến tranh Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của các nước trên Thế giới

- Định vị dẫn đường cho tên lửa: thế hệ các loại tên lửa chiến thuật, tên lửa chiến lược và tên lửa đạn đạo của những năm 50 của thế kỉ XX phần lớn ứng dụng công nghệ định vị dẫn đường bằng hệ thống quán tính Tuy nhiên, khi hệ thống định vị toàn cầu xuất hiện và triển khai trên thực tế đã cho ra đời một thế hệ vũ khí mới được dẫn đường bằng vệ tinh và cải tiến tên lửa thế hệ

cũ bằng cách kết hợp GNSS/INS

Hình 1.1 Hệ thống tên lửa S-300 PMUI

- Định vị dẫn đường cho máy bay: các loại máy bay trinh sát, máy bay ném bom không người lái là những phương tiện ứng dụng định vị dẫn đường

Hình 1.2 Máy bay không người lái Predator

1.2 Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay tự hành

1.2.1 Một số khái niệm

1.2.1.1 Vật thể bay tự hành

Vật thể bay tự hành là bất kì vật thể hay phương tiện nhân tạo nào có thể tự duy trì quĩ đạo bay trong khí quyển hoặc trong vũ trụ Ví dụ như: máy bay, tên lửa, khinh khí cầu…

1.2.1.3 Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay

Quĩ đạo chuyển động của vật thể bay là một đường tưởng tượng do khối tâm của vật thể vạch ra trong không gian khi bay

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quĩ đạo bay

Một vật thể bay, khi bay trong không khí chịu tác động của rất nhiều yếu tố làm cho vật thể không bay theo đúng quĩ đạo đã vạch sẵn Sự tác động

đó ở mức độ nào còn phụ thuộc vào kết cấu hình học của vật thể, vận tốc bay,

độ cao bay, thời gian bay.Trong khuôn khổ của đề tài này chúng tôi chỉ đề cập

đến các yếu tố ảnh hưởng đến quĩ đạo bay của vật thể khi bay trong một không gian cấp chiến thuật

1.2.2.1 Vận tốc

Vận tốc ban đầu và vận tốc tức thời của vật thể bay được duy trì trong suốt quỹ đạo bay của vật thể Sự thay đổi vận tốc phụ thuộc vào khối lượng vật thể, kết cấu, khối lượng trượt, độ lớn lực đẩy, tỉ lệ cháy của chất đốt…Những

ảnh hưởng thực tế như trọng lực hay lực cản không khí sẽ thường xuyên tác dụng trong khi thay đổi vận tốc sẽ làm cho quĩ đạo vật thể cũng thay đổi theo 1.2.2.2 Trọng lực

Ta có thể coi Trái đất là vật rắn tuyệt đối quay quanh một trục cố định với tốc độ không đổi Trong trường hợp này giá trị trọng lực tại mỗi điểm cho

trước sẽ là một đại lượng không đổi

Ta cũng có thể cho rằng trọng lực là hợp lực của lực hấp dẫn do toàn bộ vật chất trong vũ trụ tác dụng lên vật thể và lực do chuyển động của nó xung quanh tâm quán tính của Trái đất gây ra Với quan niệm này thì giá trị trọng lực tại mỗi điểm sẽ thay đổi phụ thuộc vào vị trí của các thiên thể, vào vị trí trục quay tức thời trong lòng Trái đất cũng như tốc độ quay của nó, vào sự chuyển dịch vật chất ở các thể lỏng, rắn, khí trong phạm vi Trái đất, vào sự thay đổi vị trí tương đối của điểm xét so với tâm quán tính và các trục quán tính chủ yếu của Trái đất

Để cho thuận tiện hiện nay ta có thể coi trọng lực tại mỗi điểm cho trước có giá trị không đổi, đồng thời tính đến các ảnh hưởng thay đổi sức hút của các thiên thể (Mặt trăng, Mặt trời) cũng như dịch chuyển vật chất vv thông qua các số hiệu chỉnh tương ứng

Nếu ta kí hiệu lực hấp dẫn là F và lực li tâm là P thì tổng hợp các lực này là trọng lực G :

G=F+ P (1.1) 1.2.2.3 Các yếu tố khí tượng

a Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ không khí tăng hay giảm làm cho các yếu tố như mật độ, độ nhớt, tính dính bám và sự chuyển động của không khí cũng tăng hay giảm theo Rõ ràng, khi nhiệt độ không khí tăng thì vật thể bay nhanh hơn và ngược lại khi nhiệt độ không khí giảm thì vật thể bay chậm hơn so với điều kiện tiêu chuẩn thiết kế

b áp suất không khí

Sự tăng hoặc giảm mật độ không khí (thay đổi áp suất không khí) đều

ảnh hưởng đến tốc độ bay của vật thể bay Trong thực tế, sự thay đổi áp suất không khí lại phụ thuộc vào độ cao bay Do vậy, để làm giảm ảnh hưởng của

áp suất không khí người ta phải tính toán quỹ đạo bay nằm trong một giới hạn của một tầng khí quyển nhất định

c Hướng gió và tốc độ gió

Hướng gió và tốc độ gió là các yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến quĩ đạo bay của vật thể

Chương 2 Các nguyên lí và phương pháp định vị dẫn đường

cho vật thể bay

2.1 Định vị dẫn đường bằng vệ tinh

2.1.1 Nguyên lí định vị dẫn đường bằng vệ tinh

2.1.1.1 Phương trình cơ bản của định vị bằng vệ tinh

Giả sử ta có Trái đất được biểu diễn ở dạng khối cầu với tâm quán tính

O, M là điểm quan sát trên mặt đất, S là vệ tinh

Hình 2.1 Mối quan hệ giữa tâm quán tính của Trái đất và vệ tinh

Ta kí hiệu bán kính vectơ địa tâm của điểm quan sát là R , bán kính vectơ địa tâm của vệ tinh là r , bán kính vectơ địa diện của vệ tinh là r Khi

đó mối quan hệ hình học giữa các vectơ nói trên có thể được biểu diễn qua công thức dưới đây:

(2.1) Biểu thức (2.1) thường được gọi là phương trình cơ bản của định vị vệ tinh

r

+

= R r

Xuất phát từ phương trình cơ bản ta có các bài toán và các phương pháp

cơ bản của định vị vệ tinh sẽ được trình bày dưới đây

2.1.1.2 Các bài toán cơ bản

a Bài toán thuận

Trong bài toán thuận đại lượng cần xác định là r , tức là vị trí của vệ

tinh so với tâm quán tính của Trái đất; vị trí này được gọi là vị trí tuyệt đối của

vệ tinh Các đại lượng cần phải biết là R và ρ, tức là vị trí của điểm quan sát

so với tâm quán tính của Trái đất hay vị trí tuyệt đối của điểm quan sát và vị

trí của vệ tinh so với điểm quan sát hay vị trí tương hỗ giữa vệ tinh và điểm

quan sát

Về thực chất, bài toán thuận có chức năng truyền tọa độ đã biết từ điểm

quan sát trên mặt đất lên cho vệ tinh để biến vệ tinh thành điểm mang tọa độ

Việc truyền tọa độ được thực hiện thông qua bán kính vectơ địa diện của vệ

tinh, tức là phải tiến hành quan sát vệ tinh từ điểm quan sát có tọa độ đã biết

Cơ sở toán học của bài toán thuận chính là biểu thức (2.1)

b Bài toán ngược

Đại lượng cần xác định trong trường hợp này là R , tức là vị trí tuyệt đối

của điểm quan sát Các đại lượng cần biết là vị trí tuyệt đối của vệ tinh, tức là

r , và vị trí tương đối giữa vệ tinh và điểm quan sát, tức là r Biểu thức toán

học của bài toán ngược được rút ra từ phương trình cơ bản của định vị vệ tinh,

cụ thể là:

R = r-r (2.2)

Về thực chất, bài toán ngược có chức năng truyền tọa độ đã biết từ vệ

tinh xuống cho điểm quan sát trên mặt đất, tức là sử dụng vệ tinh để xác định

tọa độ tuyệt đối cho điểm quan sát

Do vệ tinh là vật thể luôn chuyển động trong không gian, nên khi nói

đến vị trí của nó, tức là khi nêu ra các giá trị tọa độ của vệ tinh, nhất thiết phải

chỉ rõ thời điểm (chỉ số đồng hồ) tương ứng

2.1.2 Các phương pháp cơ bản của định vị vệ tinh

2.1.2.1 Phương pháp động học

Trong phương pháp này tọa độ của vệ tinh, tức là bán kính vectơ r được

coi là đã biết Điều này cũng có nghĩa là ta phải biết quy luật chuyển động của

vệ tinh

Với mỗi kết quả đo bán kính vectơ địa diện r của vệ tinh ta có thể lập

được phương trình số hiệu chỉnh

(2.3) Tương ứng với (2.1) ta có

d là số hiệu chỉnh cho bán kính vectơ địa tâm của vệ tinh, Rd là số hiệu

chỉnh cho bán kính vectơ của điểm quan sát Dễ hiểu là Rd là đại lượng

không đổi, còn rd luôn thay đổi theo thời gian do vệ tinh chuyển động Do

vậy, bài toán xác định đồng thời Rd và rd sẽ không có lời giải Để khắc phục

tình trạng này, người ta không chọn tọa độ của vectơ r là các ẩn số cần thiết,

mà chọn các thông số quĩ đạo của vệ tinh Như ta đã biết, r có thể được biểu

diễn thông qua 6 tham số quĩ đạo qi(i=1,2,3,…,6)

v

r

=r+

r0 d

vệ tinh còn chịu ảnh hưởng nhiễu của nhiều yếu tố khác như: độ dẹt của Trái

đất, phân bố vật chất không đồng đều trong lòng nó, sức hút của Mặt trăng, Mặt trời, sức cản của khí quyển, áp lực của ánh sáng Do đó, các thông số quĩ

đạo của vệ tinh đều là hàm biến đổi phức tạp theo thời gian Tương ứng dqicần được biễu diễn qua các thông số gây nhiễu chuyển động của vệ tinh Kết quả là ta có hệ phương trình của phương pháp động học trong định vị bằng vệ tinh Giải hệ này, ta sẽ xác định đồng thời cả các thông số có liên quan đến qui luật chuyển động của vệ tinh và tọa độ của điểm quan sát

Nếu trọng trường Trái đất cùng các ngoại lực khác đã được biết trước thì vấn đề chỉ còn là phải xác định các yếu tố quĩ đạo của vệ tinh và tọa độ của các điểm quan sát Đây là trường hợp riêng của phương pháp động học Nó

được gọi là phương pháp quĩ đạo

2.1.2.2 Phương pháp hình học

Từ Hình 2.2 ta có:

R= r-r (2.7)

Hình 2.2 Phương pháp hình học của trắc địa vệ tinh

gi sử có hai điểm quan sát là M và N (Hình 2.2) Ta hãy áp dụng (2.7) cho hai điểm này:

D chính là vectơ dây cung nối hai điểm quan sát

Như ta đã thấy, ở đây không có vectơ r tham gia, tức là không cần biết tọa độ của vệ tinh hay cũng chính là không cần biết qui luật chuyển động của

vệ tinh Song, để có thể coi r là như nhau, ta phải đảm bảo cho vệ tinh được quan sát đồng thời từ hai điểm M và N Kết quả xác định không phải là từng

M

O

MN

RD

S

bán kính vectơ địa tâm của mỗi điểm quan sát, mà là hiệu của chúng, tức là hiệu tọa độ hay vị trí tương hỗ giữa hai điểm

Đây chính là bản chất phương pháp hình học trong định vị bằng vệ tinh Phương pháp này thường được sử dụng để xây dựng mạng lưới gồm các tam giác hợp bởi các dây cung giữa các điểm quan sát Mạng lưới như thế được gọi

là mạng lưới tam giác vệ tinh

2.1.3 Sơ lược một số hệ thống định vị vệ tinh

2.1.3.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System- GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai

từ những năm 1970 do quân đội Mĩ chủ trì Vào năm 1978 vệ tinh đầu tiên

được phóng lên quĩ đạo và đến 8/12/1993 trên 6 quĩ đạo đã có đủ 24 vệ tinh

Ban đầu nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian

và vận tốc chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên

đất liền phục vụ cho bộ quốc phòng Mĩ Vào đầu thập kỉ 80 của thế kỉ XX, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng trong dân sự Từ đó hệ thống GPS

đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cả quân sự và dân sự

Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu gồm 3 bộ phận là đoạn không gian (Space Segment), đoạn điều khiển (Control Segment), và đoạn sử dụng (User Segment)

a Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quĩ đạo và

3 vệ tinh dự trữ Vệ tinh chuyển động ở độ cao khoảng 20180km Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với mặt phẳng xích đạo Trái đất một góc 550, quĩ đạo của mỗi vệ tinh cách nhau 600 kinh Chu kì chuyển động của vệ tinh là gần 12h

đồng hồ Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động tần số chuẩn cơ

sở f0 = 10,23 MHz Tần số cơ sở f0 sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1, L2

(L1=154f0= 1575,42MHz; L2= 120f0= 1227,60MHz)

Hình 2.3 Quĩ đạo vệ tinh và vệ tinh GPS

Các sóng tải này được điều biến bởi các mã, mã C/A và mã P Sơ đồ liên hệ giữa các sóng tải và các mã điều biến được mô tả trong Hình 2.4

Mã C/A (Coarse/Accquisition code) là mã thô cho phép sử dụng rộng rãi Mã C/A là một chuỗi nhị phân mang tính chất tựa ngẫu nhiên, có tần số 1.023MHz, tương ứng với bước sóng 293m Chu kì của mã C/A là 1ms, mỗi

vệ tinh phát đi một mã C/A khác nhau và mã C/A chỉ điều biến sóng tải L1

Mã P (Precission code) là mã chính xác, được dùng cho mục đích quân

sự là chủ yếu Mã P cũng là một chuỗi nhị phân nhưng phức tạp hơn, có tần số

10.23MHz, tương ứng với bước sóng 29.3m, có chu kì 267 ngày Người ta chia mã P thành 38 đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và mỗi đoạn điều biến cho một

vệ tinh, sau 7 ngày lại thay đổi Bằng cách chia và điều biến này mã P rất khó

bị giải mã

Theo thiết kế, độ chính xác định vị GPS có thể đạt cỡ 1% độ dài bước sóng, nghĩa là chỉ với mã thô C/A cũng có thể đạt độ chính xác cỡ 3m Chính vì thế phía Mĩ đã chủ động làm nhiễu tín hiệu bằng kĩ thuật SA (Selective Availability) nhằm hạ thấp độ chính xác định vị Từ ngày 20/5/2000, Mĩ đã bỏ chế độ nhiễu SA

Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng, các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783.74MHz và 2227.50MHz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

b Đoạn điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tai Colorado

Springs và bốn trạm theo dõi phân bố đều quanh Trái đất, đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương), và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương)

Hình 2.5 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển GPS

Các trạm điều khiển liên tục theo dõi sự hoạt động của các vệ tinh

Đồng thời trên mỗi trạm theo dõi đều có các máy thu GPS, cho phép đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách và cả các số liệu khí tượng Các số liệu này được gửi tới trạm trung tâm xử lí, kết quả tính toán là các lịch vệ tinh (Ephemerit) và số cải chính đồng hồ vệ tinh Sau đó các thông tin này được chuyển lên các vệ tinh, từ đó chuyển đến các máy thu của người sử dụng

c Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ

vệ tinh phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên Thế giới Khi khai thác sử dụng công nghệ GPS, người ta có thể kết nối các thiết bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu phát khác để thực hiện các kĩ thuật đo

động tức thời (Real Time Kinematic- RTK), đo vi phân DGPS (Differential GPS), đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide- Area- Differential GPS) Trong

kĩ thuật WADGPS còn sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại (Commercial Communication Satellite) như là phương tiện trung gian để truyền số cải chính

vi phân tới các trạm đo Đó có thể là các máy thu riêng hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân)

Tùy vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác người ta đã chế tạo

ra nhiều loại máy thu GPS khác nhau, cùng với nó là các phần mềm chuyên dụng phục vụ xử lí thông tin mà máy thu nhận được từ vệ tinh Công việc xử lí thông tin nhằm giải quyết bài toán định vị một cách nhanh chóng và chính xác

đáp ứng yêu cầu công việc đặt ra

Hình 2.6 Máy thu tín hiệu vệ tinh

2.1.3.2 Hệ thống định vị toàn cầu Glonass

Hệ thống định vị toàn cầu thế hệ 2 của Glonass tương tự như hệ thống

định vị toàn cầu GPS NAVSTAR Hệ thống Glonass thành lập vào những năm

đầu thập niên 70 của thế kỉ XX, với sự hợp tác chặt chẽ của các cơ quan quân

sự và dân sự Liên Xô Hệ thống Glonass được sử dụng với các mục đích: xác

định vị trí điểm trên bề mặt Trái đất, dẫn đường các hệ thống phương tiện trên không, trên biển, đạo hàng các vệ tinh vũ trụ

Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống Glonass được phóng lên quĩ đạo vào năm 1982, đến năm 1995 hệ thống đã được xây dựng hoàn chỉnh với các quĩ

đạo bay của các vệ tinh ở độ cao 19130km Hệ thống Glonass được phát triển

và đưa vào sử dụng phục vụ cho hai mục đích: đảm bảo an ninh cho quốc gia

và giải quyết các yêu cầu nghiên cứu khoa học và dân sự

Hệ thống cho phép trong khoảng thời gian 1- 2 phút, bất kì một điểm nào trên Trái đất có thể xác định được vị trí với sai số không quá 100m, vận tốc chuyển động với sai số không quá 0,15m/giây, liên kết thời gian thang số chuẩn với sai số không quá 0,001s Hệ thống Glonass được ứng dụng cho các mục đích:

1- Thành lập mạng lưới trắc địa toàn cầu trong hệ tọa độ địa tâm;

2- Quảng bá thời gian thống nhất toàn cầu với độ chính xác cao;

3- Dẫn đường các phương tiện chuyển động trên mặt đất, trên biển, trong không trung và trong vũ trụ

a Đoạn không gian gồm 24 vệ tinh quay trên 3 mặt phẳng quĩ đạo và 3 vệ

tinh dự trữ Quĩ đạo của vệ tinh gần như tròn, bay ở độ cao xấp xỉ 19130km Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tín hiệu radio đạo hàng với hai tần số: CSA - độ chính xác chuẩn và BT- độ chính xác cao

Hình 2.7 Quĩ đạo vệ tinh và vệ tinh Glonass

b Đoạn điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Golishino cách

Moscow 40km; và các trạm theo dõi phân bố đều trên lãnh thổ Nga: quanh ngoại ô Moscow, SanPetecbua, Enhiseisk, Iakutsk

Hình 2.8 Sơ đồ vị trí các trạm theo dõi và trạm điều khiển Glonass

c Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh

để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng

2.1.4 Các phương pháp định vị dẫn đường bằng vệ tinh

2.1.4.1.Định vị GPS tuyệt đối

a Nguyên lí định vị GPS tuyệt đối

Định vị tuyệt đối là sử dụng một máy thu để xác định điểm đặt máy X,

Y, Z (hoặcB, L, H) trong hệ WGS- 84 Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị

điểm (Point Positioning)

Trong công nghệ GPS, có thể thực hiện định vị tuyệt đối bằng các trị đo khoảng cách giả, bằng các trị đo pha sóng tải hoặc kết hợp các trị đo trên Trong một vài trường hợp có thể sử dụng thêm các trị đo Doppler để giải bài toán định vị tuyệt đối Trong đó định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả theo tín hiệu code tựa ngẫu nhiên, cho phép xác định tức thời vị trí điểm đặt máy,

do đó được sử dụng phổ biến cho công tác dẫn đường các phương tiện như tàu thuyền, máy bay, các vật thể tự hành vv…Lời giải bài toán này được gọi là lời giải đạo hàng (Navigation Solution)

Xuất phát từ phương trình trị đo khoảng cách giả từ vệ tinh j đến máy thu i tại thời điểm t:

R ( )t ( )t c ( )t c j( )t

i

j i

d (t), j d (t) là sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu i

Số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh drel có thể tính được nhờ đa thức đồng hồ

vệ tinh được cung cấp từ lịch vệ tinh quảng bá theo công thức:

Như vậy, khoảng cách giả trong phương trình (2.11) sau khi đã được hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh sẽ là:

2 i j

2 i

trong đó Xj(t), Yj(t), Zj(t) là các thành phần của vectơ vị trí địa tâm của vệ tinh

j tại thời điểm t Xi, Yi, Zi là tọa độ cần xác định của điểm quan sát trong hệ tọa độ Trái đất

Như vậy, ta có thể viết được phương trình trị đo khoảng cách giả:

Rji( )t = [ ( ) ] [ ( ) ] [ ( ) ]2

i j

2 i j

2 i

được vị trí của máy thu

b Các phương pháp định vị tuyệt đối

- Định vị tuyệt đối tức thời (Real Time Absolute Positioning)

Định vị tuyệt đối tức thời giúp ta xác định tọa độ vị trí điểm đặt máy ngay tức thời Khoảng cách từ vệ tinh đến tâm anten máy thu được xác định theo mã C/A hoặc mã P Độ chính xác định vị tuyệt đối tức thời có thể đạt tới dưới 10m

- Định vị tuyệt đối chính xác PPP (Precise Point Positioning)

Nếu như phương pháp định vị tương đối có thể sử dụng hiệu trị đo đồng thời giữa các điểm đặt máy để hạn chế sai số quĩ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ

và độ trễ truyền sóng qua tầng điện li, tầng đối lưu thì phương pháp định vị tuyệt đối không làm được điều đó Do vậy, muốn đạt được độ chính xác cỡ centimet trong định vị tuyệt đối phải có biện pháp khắc phục ảnh hưởng của các nguồn sai số trên

Ngày nay, các hãng sản xuất máy thu GPS đã cho ra đời các loại máy thu có các kênh riêng biệt cho từng vệ tinh, thường là 6 đến 14 kênh, cho phép

quan sát tất cả các vệ tinh có thể ''thấy được'' trên bầu trời Trong số các kênh

đó, có một kênh được sử dụng với chức năng rà quét để đẩy nhanh việc bám

vệ tinh và thu nhận thông tin Ephemerit của chúng Bằng cách này máy thu có thể quan sát vệ tinh một cách liên tục, và do đó có thể thực hành định vị ngay cả trong quá trình chuyển động nhanh như trên ôtô, tên lửa, máy bay, tàu thuyền Loại máy thu này đáp ứng được yêu cầu sử dụng đại lượng đo là pha sóng tải để định vị tức thời chính xác cao tới cỡ một vài mét, cũng như sử dụng phép đo code chính xác để định vị với sai số dưới 5m phục vụ cho công tác thủy đạc và đo vẽ khu vực cảng

Hiện nay, Mĩ và châu Âu đã xây dựng các hệ thống vi sai rộng lớn như WAAS, EGNOS cho phép định vị tuyệt đối đạt độ chính xác trung bình nhỏ hơn 3m

Với quĩ đạo vệ tinh chính xác , các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh và các

số liệu về khí quyển nhận được có thể thực hiện định vị điểm tức thời chính xác với sai số về vị trí mặt bằng khoảng 8-10cm và độ cao trắc địa khoảng 15-20cm Để đạt được độ chính xác cao như vậy, ngoài việc tính toán hiệu chỉnh

ảnh hưởng của tầng điện li, tầng đối lưu, còn phải tính các số hiệu chỉnh khác như lệch tâm anten phát của vệ tinh trong hệ tọa độ cố định với vệ tinh, số hiệu chỉnh do hiệu ứng Sagnac, số hiệu chỉnh do thuyết tương đối vv…

2.1.4.2 Định vị GPS tương đối (Relative Positioning)

a Nguyên lí định vị tương đối

Định vị tương đối (Relative Positioning) là sử dụng tối thiểu 2 máy thu

đồng thời thu tín hiệu vệ tinh để xác định vectơ cạnh (Baseline) giữa chúng Các thành phần của vectơ cạnh là DX, DY, DZ trong hệ WGS-84 Cũng có thể tính

đổi thành các gia số tọa độ trắc địa DB, DL, DH theo các công thức đã biết

Nguyên lí của định vị tương đối là sử dụng các trị đo pha sóng tải Với

kĩ thuật hiện nay, trị đo pha có thể đạt độ chính xác cỡ 1% của chu kì, hoặc cao hơn, nhờ đó độ chính xác định vị tương đối rất cao Một yêu cầu bắt buộc trong định vị tương đối là phải quan trắc đồng thời tại các điểm tham chiếu A

và điểm cần xác định B Các trị đo quan trắc đồng thời tại điểm A và B đối với các vệ tinh j và k ở các thời điểm khác nhau cho ta các tổ hợp tuyến tính dưới dạng sai phân bậc nhất (hiệu đơn pha), sai phân bậc hai (hiệu pha kép) và sai phân bậc ba (hiệu pha bậc 3)

Kí hiệu hai điểm đặt máy thu GPS là A và B cùng quan sát vệ tinh j tại thời điểm t

Đối với hai điểm quan sát sẽ có hai phương trình trị đo pha:

tại trạm A: ( )t f ( )t ( )t Nj f j A( )t

A

j A j

j j

l

=d-

tại trạm B: ( )t f ( )t ( )t Nj fj B( )t

B

j B j

j j

l

=d-

j A

j B

A

j B

j

Đây là phương trình sai phân bậc nhất Có thể thấy rằng trong phương trình trên đã loại bỏ được sai số đồng hồ vệ tinh dj(t)

Nếu hai máy thu đặt tai 2 điểm A, B đồng thời quan sát hai vệ tinh j và

k Trong trường hợp này chúng ta đã có hai phương trình sai phân bậc nhất xác định theo (2.18) như sau:

với vệ tinh j, ta có: (t) (t) Nj f j AB(t)

AB

j AB

AB

k AB

j AB

k AB

j AB

k

l

=F

j, AB k

Chúng ta xét sai phân bậc nhất và sai phân bậc hai tại một thời điểm t

Để loại bỏ các số nguyên đa trị độc lập thời gian, người ta đã kiến nghị sử dụng hiệu số của sai phân bậc hai giữa hai thời điểm Kí hiệu hai thời điểm quan sát là t1 và t2 cùng quan sát các vệ tinh j và k

thời điểm t1: j, k

AB 1

k j, AB 1

k j,

k j, AB 2

k j,

λ

Φ (2.23)

Hiệu số của hai sai phân bậc hai sẽ là:

( ) [ ( ) j, k( )1 ]

AB 2

k j, AB 1

k j, AB 2

k j,

Biểu thức (2.24) gọi là sai phân bậc ba

Trong sai phân bậc ba đã loại bỏ được ảnh hưởng của các số nguyên đa trị Không những thế người ta sử dụng sai phân bậc ba để phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kì (Cycle Slip)

Có thể nói rằng, nhờ các phương trình sai phân người ta đã loại bỏ được khá nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị tương đối Vì vậy, độ chính xác định vị tương đối cao hơn nhiều so với định vị tuyệt đối.

b Các phương pháp định vị tương đối

- Định vị tương đối tĩnh (Relative Static Positioning): sử dụng hai hay nhiều

máy thu đặt tại các điểm cần xác định tọa độ và đồng thời thu tín hiệu liên tục

từ một số vệ tinh chung (thường là 4 vệ tinh trở lên) trong thời gian khoảng một đến ba giờ đồng hồ Phương pháp này cho phép xác định hiệu tọa độ (hay

vị trí tương hỗ) giữa các điểm xét với độ chính xác cao, cỡ centimet ở đây người ta có thể dùng phương pháp đo tĩnh nhanh (Fast Static), về bản chất là giống nhau nhưng thời gian đo ngắn (khoảng vài phút)

- Định vị tương đối động (Relative Kinematic Positioning): trong phương pháp

này người ta đưa ra hai phương thức đo là định vị tương đối động xử lí sau PPK (Post Processing Kinematic) và định vị tương đối động xử lí tức thời RTK (Real Time Kinematic) Trong định vị tương đối động, bắt buộc thủ tục khởi đo để xác định số nguyên đa trị đầu tiên làm cơ sở giải bài toán định vị tương đối với số trị quan sát hạn chế trong thời gian rất ngắn

Khi đo động, lại có thể áp dụng các kiểu đo khác nhau như: đo động dừng và đi (Stop and Go), đo động liên tục (Continuous), đo động kiểu đánh dấu sự kiện (Events Markers)

2.1.5 Hệ thống GNSS

GNSS lúc đầu là một ý tưởng, một chủ thuyết, sau đó mới dần định hình thông qua các bước triển khai cụ thể Tổ chức hàng không dân dụng Thế giới (ICAO) xem việc kết hợp sử dụng NAVSTAR và GLONASS là bước đầu tiên tiến tới GNSS

Việc kết hợp này cho phép đạt tới tính toàn vẹn, tính sẵn sàng đáp ứng

và độ tin cậy cao hơn Sở dĩ như vậy là vì số lượng vệ tinh có thể quan sát tăng lên, đồ hình phân bố vệ tinh tốt hơn, không có sự khống chế về độ chính xác thông qua SA trong GLONASS so với NAVSTAR Không những thế mức độ

độc quyền của các hệ thống cũng giảm xuống

Người ta đã mở rộng GNSS bằng cách đưa vào sử dụng thêm các hỗ trợ diện rộng (WAA) và hỗ trợ diện hẹp (LAA)

Hỗ trợ diện rộng gồm các trạm theo dõi (MS), các trạm theo dõi chính (MAS), các trạm vô tuyến đạo hàng mặt đất (NES) và các trạm vệ tinh địa tĩnh Các trạm theo dõi có nhiệm vụ quan sát các vệ tinh NAVSTAR/GLONASS rồi gửi số liệu quan sát về các trạm theo dõi chính Từ các trạm theo dõi chính thông tin về tính sẵn sàng của vệ tinh NAVSTAR/GLONASS (tín hiệu mặt đất toàn vẹn), số hiệu chỉnh vi phân phục

vụ cho việc định vị bằng GNSS và số liệu về trạng thái của tầng điện li sẽ được chuyển sang các trạm vô tuyến đạo hàng mặt đất để gửi tiếp lên vệ tinh địa tĩnh và từ đó gửi xuống cho khách hàng của NAVSTAR/GLONASS

Các yêu cầu độ chính xác cao đối với việc định vị khi máy bay hạ cánh không thể được đáp ứng bởi hỗ trợ diện rộng WAA Lúc đó cần đến các hỗ trợ diện hẹp với các trạm GNSS vi phân (DGNSS) Các trạm này nhận tín hiệu vi

phân thuộc khu vực hoạt động của mình rồi gửi các số hiệu chỉnh vi phân tương ứng thông qua phương tiện vô tuyến mặt đất đến khách hàng Người ta cũng đã đề xuất khả năng sử dụng các “giả vệ tinh” (Pseudolits) Đó là các nguồn phát tín hiệu NAVSTAR- GLONASS trên mặt đất, nhờ đó số lượng tín hiệu cần thiết cho việc định vị được tăng cường

Để xây dựng GNSS, người ta đã có những thiết kế và thử nghiệm cụ thể Chẳng hạn, cơ quan hàng không liên bang của Mĩ (FAA) phát triển hệ thống

hỗ trợ diện rộng WAAS với các vệ tinh NAVSTAR và 24 trạm theo dõi rải

đều trên lãnh thổ Mĩ , 2 trạm theo dõi trung tâm, 6 trạm vô tuyến đạo hàng và

3 vệ tinh địa tĩnh Thêm vào đó còn có các trạm DGPS khu vực ở châu Âu cơ quan không gian châu Âu (ESA) cũng đã đề xuất chương trình phát triển dịch

vụ đạo hàng phủ trùm sử dụng vệ tinh địa tĩnh (EGNOS), với 50 trạm theo dõi

vệ tinh NAVSTAR/GLONASS, 3 trạm theo dõi trung tâm và 9 trạm vô tuyến

đạo hàng mặt đất cùng với các vệ tinh của cơ quan vệ tinh hàng hải quốc tế (INMARSAT) chuyên dùng ở khu vực châu Âu

Hiện nay, GNSS được hiểu là một tổ hợp các hệ thống định vị và dẫn

đường cơ bản như NAVSTAR, GLONASS, GALILEO cùng một số hệ thống

vệ tinh dẫn đường đang được phát triển và các hệ thống hỗ trợ trong đó có vệ tinh hỗ trợ và hỗ trợ mặt đất

Trong số các hệ thống vệ tinh hỗ trợ có thể kể đến các hệ thống WAAS, EGNOS, MTSAT Thêm vào đó còn có các hệ thống khác như : CWAAS của Canada, SNSAS của Trung Quốc, GAGAN của ấn Độ Ngoài ra còn phải kể

đến hệ thống Omnistar của Hà Lan với dịch vụ DGPS và vi phân diện rộng có khả năng đảm bảo độ chính xác ở 3 mức : 0.4m, 20cm và tốt hơn 10cm và hệ thống tương tự là Starfire của Mỹ Đặc trưng chung của các hệ thống hỗ trợ bằng vệ tinh là sử dụng vệ tinh địa tĩnh phát tín hiệu được điều biến giống như NAVSTAR với sai phân diện rộng và thông tin về nguyên trạng hệ thống, tức

là thông báo kịp thời khi phát hiện hệ thống không có khả năng dẫn đường

cho người sử dụng trong vùng phủ sóng

Để đảm bảo khai thác có hiệu quả những khả năng tiềm tàng của GNSS,

cần xây dựng hạ tầng kĩ thuật mặt đất mà người ta thường gọi là hệ thống hỗ

trợ mặt đất Hệ thống hỗ trợ mặt đất được chia làm ba thế hệ

Hệ thống hỗ trợ mặt đất thế hệ một là các mạng lưới GPS quốc gia được

thiết kế trong hệ qui chiếu quốc tế như WGS-84, ITRFxx, chủ yếu phục vụ

cho kĩ thuật đo tương đối xử lí sau Độ chính xác của các mạng lưới này

thường đáp ứng yêu cầu về độ chính xác trắc địa và các qui định xác định vị

trí tương đối do Uỷ ban khống chế trắc địa liên bang của Mĩ (FGCC) đề xuất

Theo đó các tiêu chuẩn về độ chính xác ở mức tin cậy 95% được phân thành 6

cấp hạng từ mức cao nhất ± (0,3)2 +(0,1.d.0,01)2 cm đến thấp nhất

± (0,5)2 +(0,1.d.100)2 cm trong đó d là chiều dài cạnh đáy (baseline) tính

bằng km Ba cấp hạng cao nhất là AA, A, B

Năm 1989 người ta đã sử dụng các tọa độ của mạng lưới các trạm GPS

hoạt động liên tục của châu Âu (European Permanent Network, EPN) để xây

dựng nên khung qui chiếu châu Âu (European Terrestrial Reference Famre,

ETRF 89) Trên cơ sở ETRF 89, nhiều nước trong khu vực đã tiến hành xây

dựng mạng lưới GPS quốc gia ba chiều với các đặc trưng sau:

- Mạng lưới quốc gia phải có các điểm chung với hệ quốc tế và khu vực

- Các điểm của mạng lưới GPS quốc gia phải được chọn từ những điểm trắc địa cơ sở quốc gia Nó là mạng lưới có độ chính xác cao nhất về phương

diện mặt phẳng để giải quyết những mâu thuẫn giữa kết quả đo GPS và đo trắc

địa truyền thống

- Mật độ điểm lưới GPS quốc gia cần đảm bảo chính xác hóa được mặt

Geoid quốc gia Vì vậy, mạng lưới GPS quốc gia phải có số lượng điểm nhiều

nhất có đo thủy chuẩn Độ chính xác độ cao của điểm GPS quốc gia cần đạt

được 3- 4 cm không phụ thuộc khoảng cách giữa các điểm

Tương tự như ở châu Âu, Uỷ ban thường trực về cơ sở hạ tầng hệ thống thông tin địa lí khu vực châu á - Thái Bình Dương (Permannent Committee on the GIS Infrastruture for AP, PCIGIAP) cũng triển khai dự án lưới trắc địa khu vực châu á - Thái Bình Dương (Asia - Pacific Regional Geodetic Project, APRGP)

Mạng lưới GPS thế hệ một có hạn chế lớn nhất là người sử dụng phải có một cặp máy thu để áp dụng phương pháp đo GPS tương đối hay đo DGPS trong đó một máy phải đặt tại điểm của lưới GPS quốc gia, còn máy kia di

động Mạng lưới GPS thế hệ một vì thế còn gọi là mạng lưới GPS thụ động

Để khắc phục hạn chế nêu trên, người ta đề xuất xây dựng một số trạm GPS tại đó đo GPS liên tục để cung cấp cho hàng loạt máy thu khác; nhờ vậy người

sử dụng chỉ cần có một máy thu ngoài thực địa và yêu cầu dữ liệu cung cấp sẵn từ trạm thường trực (Permannent, PN) hay trạm qui chiếu đo liên tục (Continuous Operating Reference Station, CORS) Mạng lưới các trạm PN hay CORS như thế được gọi là mạng các trạm GPS tích cực (Active GPS Station)

Đó chính là hạ tầng của hệ thống hỗ trợ mặt đất thế hệ hai của GNSS

Các trạm CORS có thể cung cấp trực tiếp dữ liệu thô dạng RINEX cho người sử dụng (giải pháp trạm đơn - Single Station) Nhưng giải pháp này ít

được sử dụng, mà người ta thường liên kết các trạm CORS với một trung tâm

xử lí dữ liệu để thu thập, xử lí rồi cung cấp dữ liệu cho khách hàng ở dạng RINEX xử lí sau và dữ liệu hiệu chỉnh DGPS thời gian thực ở một số nước mật độ trạm CORS bảo đảm được khoảng cách từ mỗi trạm đến người sử dụng không vượt quá 50 - 55km, còn trong đa số trường hợp khoảng cách này thường lớn hơn

Tọa độ các trạm CORS có độ chính xác rất cao, thường không thấp hơn 1cm và được cho trong hệ ITRFxx