Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS 1. Khái niệm về GPS Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác.
Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS (Theo tài liệu Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15] 1. Các thành phần của GPS GPS gồm 3 đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng. • Đoạn không gian ( Space Segment ) - Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay đã có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với độ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất.
Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút. [10] - Chức năng chính của các vệ tinh là: + Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển. + Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh. + Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2.
4 - Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz. Để giảm ảnh hưởng của tầng điện ly người ta sử dụng hai tần số. - Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là: C/A- Code, P-Code và Y- Code.
+ C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thô được sử dụng rộng rãi. C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1. C/A Code chỉ điều biến sóng tải L1.
+ P-Code (Precision Code) là code chính xác được sử dụng cho các mục đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục đích khác khi được phía Mỹ cho phép. P- Code điều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên. + Y-Code là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới có khả năng này.2: Cấu trúc tín hiệu GPS (Theo tài liệu Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15] 5 • Đoạn điều khiển (Control Segment) Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii (Thái Bình Dương), Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương). Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của các vệ tinh và hoạt động của đồng hồ trên đó.
Tất cả các số liệu đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách, các số liệu đo khí tượng ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi và số liệu đo của chính nó để cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệ tinh. Các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác.3: Các trạm điều khiển GPS [18] • Đoạn sử dụng (User Segment) Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm. - Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để khai thác, sử 6 dụng cho các mục đích, yêu cầu khác nhau của khách hàng.
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ của máy thu.4: Các thành phần chính của GPS (Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15] Các thiết bị sử dụng Máy đo lưới địa chính theo công nghệ GPS là máy thu tín hiệu vệ tinh 1 hoặc 2 tần số (Trimble Navigation 4000SE, 4000SSE, 4600LS, 4800LS hoặc máy 9600 của hăng South Trung Quốc; máy X20, X90 của hăng Huace Trung Quốc và các loại máy có độ chính xác tương đương khác). Máy đo lưới kinh vĩ, đo chi tiết bản đồ địa chính là máy toàn đạc điện tử TS02 của hãng Leica Thụy sỹ …[10] 1. Nguyên lý định vị GPS 1. Các đại lượng đo Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P- code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2.
[1] 7 • Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả.
[15] 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 Code chuyền từ vệ tinh 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 Code thu được 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 Code do máy thu tạo ra ∆δ ∆t Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [15] Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa độ của điểm xét (máy thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đo được là R, ta có phương trình: R = c(t + ∆t ) = ( x s − x) 2 + ( y s − y ) 2 + ( z s − z ) 2 + c∆t (1.1) Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu. Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 8 100 m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà.
Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000. [9] • Đo pha sóng tải Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.
Hiệu số pha do máy thu đo được ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π). Khi đó ta có thể viết: 2π Φ= ( R − N λ + c∆ t ) (1.2) λ Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu; λ là bước sóng của sóng tải; N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo; ∆t là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu; Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [15] 1. Định vị tuyệt đối (point positioning) Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84.
Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ trắc địa mặt cầu (B,L,H). Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này. Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh. Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu.
Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu. Để khắc phục 10 tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình: (XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-c∆t)2 (XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-c∆t)2 (1.