phần mở đầu và kết luận, luận văn có cấu trúc gồm 03 chƣơng: Chƣơng 1. Tổng quan về công nghệ GPS Chƣơng 2. Cơ sở khoa học của kỹ thuật GPS đo động xử lý sau Chƣơng 3. Thử nghiệm thực tế và đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính trên địa bàn thành phố Hải Phòng.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1. Sự hình thành của hệ thống GPS Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chƣơng trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đƣờng và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đƣờng 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 thống TRANSIT đƣợc sử dụng trong thƣơng mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lƣới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT.
Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy, trong công tác trắc địa - bản đồ hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lƣới khống chế cạnh dài. Nó không thỏa mãn đƣợc các ứng dụng đo đạc thông dụng nhƣ đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng. Tiếp sau thành công bƣớc đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS.
Hệ thống này bao gồm 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 đƣợc nâng cao một cách đáng kể so với TRANSIT và nhƣợc điểm về thời gian quan trắc đã đƣợc khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS khối I. Từ năm 1978 dến 1985 có 11 vệ tinh khối I đã đƣợc phóng lên quỹ đạo.
Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc khối I đã hết hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (khối II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã đƣợc triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 12 giờ 58 phút, ở độ cao xấp xỉ 12. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) đƣợc thiết kế thay cho những vệ tinh khối II, cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo.
Gần nhƣ đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ thống tƣơng tự với tên gọi GLONASS (nhƣng không thƣơng mại hóa rộng rãi). Hiện nay Liên 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đƣờng vệ tinh của mình mang tên GALILEO, hiện đã có một số vệ tinh đã đƣợc đƣa lên quỹ đạo và hệ thống dự kiến đƣợc đƣa vào sử dụng năm 2014. Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh. Ngoài ra còn một số hệ thống định vị vệ tinh khác đƣợc sử dụng ở một số nơi trên thế giới.
Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các mạng lƣới trắc địa mặt bằng, năm 1983 ngƣời ta đã xây dựng mạng lƣới trắc địa ở Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lƣới khác cũng đƣợc xây dựng ở Montgomery County, Pennsylvania (Mỹ),. Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1991-1992 chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lƣới tọa độ nhà nƣớc hạng II ở những vùng khó khăn chƣa có lƣới khống chế (Minh Hải, Tây Nguyên,. Sử dụng GPS để xây dựng lƣới trắc địa biển, kết nối đất liền với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung. Trong những năm 1995-1997 chúng ta đã xây dựng mạng lƣới GPS cấp “0”, trên cơ sở đó thành lập hệ quy chiếu Quốc gia mới (VN-2000) cũng nhƣ việc lập lƣới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30.
Hiện nay, hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chƣơng trình xử lý số liệu), đƣơc ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hƣớng ngày càng đơn giản, hiệu quả. Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian ngƣời ta chia hệ thống GPS thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment); - Đoạn điều khiển (Control Segment); - Đoạn sử dụng (User Segment). 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của hệ thống GPS.
Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần nhƣ hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh. Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc đƣợc ít nhất 4 vệ tinh GPS - điều kiện tối thiểu để có thể định vị đƣợc trong không gian 3 chiều.
Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất. Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu.
Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS. Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau: - 2 sóng tải (hay sóng mang - carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2; - Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code); - Thông báo định vị (navigation message). Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f 0 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh.
Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị. Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này đƣợc tính từ tần số cơ bản nhƣ sau: f L1 154 f 0 1575.60Mhz ; Từ các tần số trên, có thể tính đƣợc bƣớc sóng của L1 và L2 nhƣ sau: c c L1 19cm L 2 24cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên đƣợc sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này đƣợc gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống nhƣ một mã ngẫu nhiên, nhƣng trong thực tế đƣợc phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thể biểu diễn một cách đơn giản dƣới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một mã giả ngẫu nhiên.
Mỗi vệ tinh GPS đƣợc gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1]. Có 2 loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ "clear/access code" hay "coarse/acquisition code"), đƣợc phát đi ở tần số 1.023MHz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là đƣợc điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ "private code" hay "precise code"), đƣợc phát đi ở tần số 10.23MHz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày này đƣợc chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng đƣợc gán với 1 vệ tinh.
Nhƣ vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code đƣợc truyền bởi cả 2 sóng tải là L1 và L2. Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) đƣợc bật thì P-code đƣợc mã hóa thành Y-code và ngƣời dùng dân sự không sử dụng đƣợc. - Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh; + Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái (hay sức khỏe) của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa,.); + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hƣởng của tầng điện ly.
Các thông tin dự báo trên đƣợc các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của ngƣời sử dụng trong các thông báo định vị. Các thông báo định vị đƣợc phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A-code. Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo nhƣ vậy cần 30s [8]. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Cấu trúc tín hiệu GPS [1]. Đoạn điều khiển (Control segment) Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dƣơng), Ascension Island (Đại Tây Dƣơng), Diego Garcia (Ấn Độ Dƣơng) và Kwajalein (Đông Thái Bình Dƣơng). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất. Các trạm điều khiển theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát đƣợc.
Các số liệu quan sát đƣợc ở các trạm này đƣợc chuyển về trạm điều khiển trung tâm (MCS – master control station), tại đây việc tính toán số liệu chung đƣợc thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật đƣợc chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của ngƣời sử dụng. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.