HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Giảng viên: PSG.TS Nguyễn Đình Việt

Học viên: Nguyễn Đức Việt

Nguyễn Quốc Thắng

Trần Quốc Việt

NỘI DUNG

Giới thiệu hệ thống GPS1

Nguyên lý hoạt động2

Sai số và cách khắc phục3

Các ứng dụng của GPS4

2VTV

NGUYỄN QUỐC THẮNG

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GPS

VTV 3

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GPS

GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) bắt đầu được nghiên cứu từ

những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì.

Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định

được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ

của vị trí đó.

Với phần mềm của hệ thống GPS, tín hiệu thu được có thể tính được:

Tọa độ không gian tuyệt đối (chính xác có thể tới 1 m)

Số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm)

Số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm) …

4VTV

PHẦN CỨNG HỆ THỐNG GPSNAVSTAR GPS SYSTEM

5VTV

PHẦN ĐIỀU KHIỂN

Gồm 8 trạm mặt đất trong đó 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; Một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station).

Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh.

6VTV

PHẦN KHÔNG GIAN

a. Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng

nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o.

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

b. Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số L1: 1575,42 MHz và tần

số L2 1227,60 NHz. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất C/A

(Coarse/Acquisite-code) có tần số 1.023 MHz. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai P (Precise -

code) có tần số 10,23 MHz. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể

dùng thay cho mã P trong quân sự.

7VTV

PHẦN SỬ DỤNG

Gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền phân làm 2 loại: Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 dùng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất.

Những bộ phận chính của máy thu GPS gồm:Ăngten và bộ tiền khuếch đạiPhần tần số vô tuyến (RF)Bộ vi xử líĐầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiệnThiết bị ghi chépNguồn năng lượng

8VTV

TRẦN QUỐC VIỆT

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

VTV 9

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách“

Kỹ thuật này có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, sẽ có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m

10VTV

ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI

Cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung. Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu (còn gọi là baseline vector).

Ưu điểm hơn so với định vị tuyệt đối:  khử hoặc giảm đi sai số đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu hoặc hai vệ tinh

11VTV

ĐỊNH VỊ TĨNH & ĐỊNH VỊ ĐỘNG

Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động

Một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station).

Nếu trạm tĩnh có bộ phận phát radio để phát thông tin (gồm vị trí trạm tĩnh và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm này giải ra ngay tọa độ của mình thì gọi là kiểu định vị động thời gian thực (real-time kinematic – RTK).

12VTV

ĐỊNH VỊ NHIỀU MÁY THU

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi

một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị

Các thông tin thu được từ nhiều máy thu dùng để kiểm soát ảnh hưởng của

những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống

13VTV

ĐỊNH VỊ ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI

Dùng khi xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao

Ý tưởng chính là dùng một ăngten tĩnh làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy

thu các ăngten tĩnh truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang

được máy thu có ăngten chuyển động truy cập

Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh và sự thời gian

của đồng hồ.

Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài

tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian

thực.

14VTV

NGUYỄN ĐỨC VIỆT

SAI SỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC

VTV 15

SAI SỐ & CÁCH KHẮC PHỤC

Sai số do đồng hồ

Sai số do quĩ đạo vệ tinh

Sai số do môi trường truyền

Sai số do nhiễu tín hiệu

Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới

Nâng cao khả năng công nghệ của GPS

16VTV

SAI SỐ ĐỒNG HỒ

Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không

đồng bộ của chúng.

Khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:

Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và sẽ phát tín

hiệu hiệu chỉnh cho máy thu GPS nếu phát hiện có sai

Để giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử

dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.

Ngoài ra có thể cải tiến dùng các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả

năng ổn định hơn trong giai đoạn đồng bộ với đồng hồ vệ tinh.

17VTV

Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo chịu nhiều tác động nhiễu như:

Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của

mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể khác,

Sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,...

Khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:

Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể

có được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp

Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể

hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới,

độ chính xác đạt được tới 1 m.

18

SAI SỐ QUỸ ĐẠO VỆ TINH

VTV

SAI SỐ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN

Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số

tải khác nhau. Vì thế người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số.

Ảnh hưởng của tầng đối lưu gồm các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm,

có thể được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát

Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan

sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời.

Ngoài ra có 2 nguồn gây ra sai số là các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây

ra như các đài truyền hình và sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna.

Để khắc phục người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng

chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm.

19VTV

SAI SỐ DO NHIỄU TÍN HIỆU

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn

nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh.

Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với

nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ

khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%.

Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C/A thì sai số này sẽ là 50 m.

20VTV

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MỚI

Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo để loại trừ sai

số:

Hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh

Hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh

Hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất.

Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo

thời gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị

đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên.

21VTV

NÂNG CAO CÔNG NGHỆ GPS

Trong phương pháp đo tĩnh đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện

nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với

độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây để áp dụng cho nhiêù

mục tiêu khác nhau như:

RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ

chính xác tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn

RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm động

đạt được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình

MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ

chính xác cỡ 1 m

Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm

22VTV

CÁC ỨNG DỤNG GPS

Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất, hàng không, trên biển Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất, hải dương học trên biển Ứng dụng trong giao thông hàng không Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí Các ứng dụng trong quân đội

23VTV

24VTV