CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỊNH VỊ GPS 1.1 Lý thuyết chung về hệ thống GPS Khi công nghệ GPS ra đời đã thiết lập được một hệ quy chiếu toàn cầu về không gian và cả thời gian, mà theo đó tại một vị trí bất kỳ trên trái đất ở một thời điểm bất kỳ với máy thu GPS trong tay ta có ngay toạ độ điểm đánh dấu vị trí và thời điểm đang đứng. Khi máy thu GPS sẽ di chuyển theo địa vật trên thực địa để thu thập thông tin định vị thì nó hoạt động tương tự như một thiết bị số hoá (digitizer) ngay tại thực địa. Và như vậy công nghệ GPS đã mở ra một khả năng ứng dụng thu thập thông tin mô tả tự nhiên một cách khoa học, thuận tiện, chính xác. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập bản đồ là nghiên cứu vấn đề đổi mới kỹ thuật đo vẽ bản đồ truyền thống.1 Vài nét về lịch sử phát triển công nghệ GPS 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 -6- có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler, được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Sau hệ thốngTRANSIT, 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 ban đầu bao gồm 24 vệ tinh triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 5500 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 12. So với hệ thống TRANSIT, độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao, thời gian quan trắc vệ tinh được rút ngắn.
Cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hoá rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng Đồng Châu Âu.1 Hệ thống vệ tinh GPS -7- 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 Trimble 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. Những năm sau đó công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp “0″ lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới địa chính cơ sở hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác.2 Cấu trúc hệ thống GPS Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần: Phần không gian (Space Segment); Phần điều khiển (Control Segment); Phần người sử dụng (User).2 Cấu trúc hệ thống GPS -8- 1.1 Phần không gian Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên 6 mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 5500 so với mặt phẳng xích đạo trái đất, chu kỳ 718 phút.
Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm, mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm.2 Phần điều khiển Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó 1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station). Các trạm này có nhiệm vụ thu số liệu vệ tinh liên tục, tính toán và điều chỉnh quỹ đạo các vệ tinh.3 Phần người sử dụng 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.3 Các trị đo GPS Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới dùng cho việc tính toạ độ điểm đo, bao gồm: trị đo Code (Code measurement) và trị đo pha (Phase measurement).4 Nguyên lý định vị GPS Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (vị trí tâm pha của anten).
Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: định vị tuyệt đối và định vị tương đối.1 Định vị tuyệt đối (point positioning) -9- Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh được xác định và toạ độ của điểm đo được xác định. Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu.2 Định vị tương đối (relative positioning) Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao đó là định vị tương đối. Sự khác của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời và kết quả của phương pháp là các thành phần số gia toạ độ X, Y, Z (hoặc B, L, H) của 2 điểm trong hệ toạ độ không gian. Độ chính xác định vị tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong lập lưới khống chế trắc địa.5 Các nguồn sai số trong đo GPS Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh Toạ độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh.
Người sử dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ vệ tinh mà theo lịch toạ độ vệ tinh có thể bị sai số. Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn.2 Ảnh hưởng của tầng ion Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.3 Ảnh hưởng của tầng đối lưu - 10 - Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu.
Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số.4 Hiện tượng đa tuyến (multipath) Đó là hiện tượng khi tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến anten máy thu. Hiện nay với công nghệ Everest, máy thu loại được các trị do có ảnh hưởng của Multipath.5 Sự suy giảm độ chính xác do đồ hình các vệ tinh Định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu. Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là chỉ số phân tán độ chính xác DOP (Delution of Precision).6 Những kỹ thuật đo GPS 1.1 Đo GPS tuyệt đối Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu WGS-84 sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối.
Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp (cỡ 10m), chủ yếu cho việc dẫn đường, và các mục đích đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh.2 Đo GPS tương đối (Carrier-phase-based Relative GPS) Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của khoảng cách cần đo (Baseline) sử dụng nguyên lý định vị tương đối. Do bản chất của phương pháp, cần tối thiểu 2 - 11 - máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tương đối sau: • Đo GPS tĩnh (Static) Đây là phương pháp chính xác nhất sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên.
• Đo GPS động (Kinematic GPS) Phương pháp dựa trên nguyên lý định vị tương đối, được tiến hành với 1 máy đặt cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover stations) di động đến các điểm cần đo với thời gian rất ngắn, độ chính xác cỡ cm. Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo – xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng: - Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK – Real Time Kinematic GPS) Phương pháp cho phép thu được toạ độ đúng tại thực địa trong hệ toạ độ địa phương bất kỳ với thời gian đo ngắn (1 trị đo – 1 giây). - Đo GPS động xử lý sau (Post Procesed Kinematic GPS) Giống như phương pháp GPS RTK, phương pháp này đo một loạt điểm với thời gian đo ngắn 2 (trị đo). Tọa độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng.3 Đo cải chính phân sai DGPS (Code-based Differential GPS) Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code và cả trị đo pha có độ chính xác đo toạ độ 1 – 3m, sử dụng 2 máy thu tín hiệu vệ tinh trong đó 1 tại trạm gốc (Base station) có toạ độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (Rover station).
Trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo so với toạ độ thực của trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng.