Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH 1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS 1.1 Lịch sử phát triển Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT được sử dụng trong thương mại từ năm 1967.
Một thời gian ngắn sau đó, TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT. Định vị bằng TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy, trong trắc địa TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài.
Nó không thoả mãn được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng. Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR - GPS gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm khoảng 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất rõ rệt so với hệ TRANSIT.
Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS - 2, giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I". Từ năm 1978 ÷ 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng.
Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh này đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ quỹ đạo 11h58' (tức là một nữa ngày đêm sao) ở độ cao xấp xỉ 20. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II bắt đầu được phóng vào năm 1995. Cho đến nay, đang có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo [2].
Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của Nga, hệ thống GALILEO của Liên minh Châu Âu, hệ thống COMPASS (Beidou) của Trung Quốc, và hệ thống IRNSS của Ấn Độ. Hiện nay, người ta thường gọi các hệ thống trên là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS. Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu, sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau.
Những năm sau đó, công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0", thành lập hệ quy chiếu Quốc gia VN-2000 cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30.000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác [3].1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong không gian. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu trúc hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS làm 3 phần: - Phần điều khiển. - Phần không gian. - Phần người sử dụng.2: Sơ đồ hoạt động, điều khiển của hệ thống GPS.1 Phần điều khiển).
Phần điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái (sức khỏe) vệ tinh, theo dõi quỹ đạo vệ tinh, tính toán lịch vệ tinh, tải dữ liệu này lên vệ tinh. Phần điều khiển gồm 4 trạm mặt đất nằm ở: Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii. Cả 4 trạm đều là các trạm theo dõi có nhiệm vụ theo dõi trạng thái hoạt động và quỹ đạo vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều khiển chính nằm ở Colorado Spring [1]. Trạm điều khiển chính có nhiệm vụ xử lý số liệu thu được từ các trạm khác để tính toán lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
Đây cũng là trạm ra lệnh điều khiển toàn hệ thống. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3: Các trạm điều khiển. Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa không gian Mỹ đã được thêm vào phần điều khiển của GPS nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11. Với 11 trạm điều khiển, mỗi một vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy từ ít nhất là 2 trạm điều khiển → kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn.
Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của cơ quan này được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy từ tối thiểu 3 trạm điều khiển [1].2 Phần không gian a. Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20.200km, 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 ít nhất 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz.
Loại sóng này phát trên cơ sở điều biến bởi dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P, sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã P và C/A được phát với tần số tương ứng 10,23MHz và 1,023MHz.
Ngoài 2 mã trên, vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khoẻ". Hai trạng thái của vệ tinh này được xác định bởi các trạm điều khiển mặt đất.
Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe". Cấu trúc tín hiệu GPS: Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42MHz và tần số 1227,60MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10 = 1,023MHz.
Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mini giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới tên là mã P (Precise-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày.
Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên, phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (mã C/A và mã P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã P hoặc mã Y. Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực [5].3 Phần người sử dụng 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như: xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo,.
Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng. Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ. Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa.
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại: - Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên tần số L1. - Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu tín hiệu trên hai tần số L1, L2. Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại: - Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng trong trắc địa.
Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn. Ví dụ như: Trimble 4800, 5700, 5800, R4, R5, R10, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system GS08, 10, 14,… - Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng, dùng cho thu thập dữ liệu phục vụ xây dựng bản đồ tỷ lệ trung bình và dữ liệu cho các hệ thống GIS.