Chương 1. Tổng quan về công nghệ GPS Chương 2. Cơ sở khoa học của kỹ thuật đo GPS động xử lý sau Chương 3. Thử nghiệm đo đạc địa chính bằng phương pháp GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trên địa bàn quận Nam Từ Liêm, thành phố Hà Nội.
4 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 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 thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó thì 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 thống 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 trắc địa thì hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng trong đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng [6]. Tiếp theo thành công của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging – Global Poisitioning 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 được nâng cao về chất so với hệ thống TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được 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 mẫu "Block I" [4].
Từ năm 1978 đến 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay một số vệ tinh thuộc khối I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.
Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block III) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1955. Vào tháng 4 năm 2007, có tổng số 30 vệ tinh của hệ thống GPS đang được hoạt động trên quỹ đạo [1]. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của CHLB Nga nhưng không được thương mại hoá rộng rãi và một hệ 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng đồng Châu Âu. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế.
Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 1990. 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 lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn sông Bé, Cà Mau [6]. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ qui chiếu Quốc gia cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) [16] và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được 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 hướng ngày càng đơn giản và hiệu quả.
Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp và theo chức năng được chia thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment); - Đoạn điều khiển (Control Segment); - Đoạn sử dụng (User Segment). Cấu trúc của hệ thống GPS [1] 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh nhân tạo bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.200 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 bất kỳ vị trí nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS – điều kiện tối thiểu để có thể định vị được không gian 3 chiều. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS Hình 1. 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. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau [1]: - Hai 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 f0 = 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 được tính từ tần số cơ bản như sau: fL1 = 154 f0 = 1575.60Mhz; Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau: c c L1 = 19 cm L2 = 24 cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới 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 giả ngẫu nhiên.
Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1]. Có hai loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ “clear/access code” hay “coare/acquisition code”), được 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 được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ “private code” hay “precide code”), được phát đi ở tần số 10.23Mhz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh.
Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải L1 và L2. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code mã hoá thành Y-code và người dùng dân sự không sử dụng được. - 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 số đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa,…); + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly.
Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị. Các thông báo định vị được 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 như vậy cần 30s [10]. Cấu trúc tín hiệu GPS [1] 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển bao gồm các thiết bị để điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái (sức khoẻ) của vệ tinh, theo dõi quỹ đạo, tính toán lịch vệ tinh, tải các dữ liệu lên vệ tinh. Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất nằm ở Hawaii, Colorado Springs, đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm này có chức năng như sau [1]: - Cả 5 trạm đều là các trạm theo dõi (monitoring station) có nhiệm vụ theo dõi trạng thái hoạt động và quỹ đạo của vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều khiển chính (master control station). - Trạm điều khiển chính đặt ở căn cứ không quân Schriever AFB (Air Force Base) ở Colorado Springs, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu nhận 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 các lệnh điều khiển hệ thống như thay đổi đường bay của vệ tinh, tắt / bật các chế độ mã hoá,… - Ba trạm ở đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein có chức năng tải dữ liệu lên các vệ tinh (bao gồm lịch vệ tinh, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ để đưa vào thông báo định vị Navigation message và các lệnh từ trạm điều khiển chính). Mỗi trạm tải dữ liệu có thể quan sát được mọi vệ tinh ít nhất một lần trong ngày.