Đang tải... (xem toàn văn)
Mục lục1I.Mở đầu.2II.Nội dung.31.Giới thiệu về hệ thống GPS31.1Hệ thống GPS là gì?31.2Các thành phần của GPS31.3Độ chính xác của hệ thống GPS82.Các nguồn lỗi gây sai lệch vị trí và cách khắc phục trong GPS82.1 Lỗi lịch thiên văn112.2 Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu122.3 Lỗi đa đường142.4Biến đổi tâm pha anten152.5Nhiễu đo lường máy thu162.6 Trễ tầng điện ly182.7 Trễ tầng đối lưu202.8Sai số khoảng cách tương đương21Kết luận.23
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Mục lục Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn. Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm tay đơn giản và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến. Theo các nhà dự báo, trong thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều khiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ. I. Nội dung. 1 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS 1. Giới thiệu về hệ thống GPS 1.1 Hệ thống GPS là gì? NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống định vị dựa vào các vệ tinh. Nó có nhiều ưu điểm sau: · Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet · Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất · Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự. Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ. Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn. GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đã phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm. Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau: - Độ tin cậy cao của hệ thống không gian - Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao - Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác - Công nghệ VLSI và quang phổ rộng 1.2 Các thành phần của GPS Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng: - Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động - Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quỹ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian - Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí 2 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Hình 1: GPS là gì. a. Mảng không gian. Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm: - Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển. - Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh. - Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số 3 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Hình 2. Vệ tinh nhân tạo của GPS Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF. Thế hệ vệ tinh đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm. Block II và IIA cũng do công ty này xây dựng nhưng nặng đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng. Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005. Hiện nay (2003) trên quĩ đạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR. Cấu hình quĩ đạo như sau: - Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn - Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh 4 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS - Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55° Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km. Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L1 1575.42MHz và L2 1227.60MHz. Các tín hiệu vệ tinh bao gồm: - Hai tần số sóng mang - Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang - Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ tinh. b. Mảng điều khiển Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát sức khoẻ; theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh. Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của chúng như sau: - Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều khiển chính. - Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. - Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải. 5 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Hình 3 .các trạm điều khiển GPS c. Mảng người sử dụng Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm: - Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách) - Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng) - Các quá trình điều hành 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 1 tần số L1 - Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai tần số 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, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,vv… - 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 cho thu thập dữ liệu phục vụ 6 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS bản đồ và GIS. Ví dụ như Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance - · Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch, … Ví dụ Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan 1.3 Độ chính xác của hệ thống GPS Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét. Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với máy thu GPS của họ. 2. Các nguồn lỗi gây sai lệch vị trí và cách khắc phục trong GPS 7 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS • Các nguyên nhân chính gây ra sai số trong kĩ thuật dịnh vị tuyệt đối. - Do vệ tinh: chiếm ¾ nguyên nhân, tức là sai số đồng hồ vệ tinh và các nhiễu trong công nghệ vệ tinh - Do trạm điều khiển: là sai số trong việc dự đoán và tính toán quỹ đạo của vệ tinh. Thông tin này sẽ được truyền lên vệ tinh để mã hóa vào tín hiệu và truyền xuống cho máy thu - Do quá trình truyền tín hiệu: cụ thể là sai số do tầng điện ly, do tầng đối lưu, sai số do việc tín hiệu bị phản xạ (hiện tượng đa đường) và nhiễu gây ra do việc truyền phát các tín hiệu khác - Do máy thu: ví dụ như do nhiễu tại máy thu hay sai số đồng hồ của máy thu. Các nguồn sai số chính trên gây ra các sai số cho các máy thu GPS cầm tay như bảng sau 8 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Hình 4: Nguồn gây lỗi sai lệch vị trí GPS. Các lỗi bắt nguồn từ vệ tinh bao gồm lịch thiên văn, hay lỗi quỹ đạo, lỗi đồng hồ vệ tinh và ảnh hưởng của khả năng chọn lọc. Lỗi chọn lọc được thực hiện do chủ ý của bộ quốc phòng Mỹ để làm giảm độ chính xác GPS độc lập vì lý do an ninh. Tuy nhiên, việc này đã chấm dứt vào ngày 1/5/2000. Lỗi bắt nguồn từ máy thu bao gồm lỗi đồng hồ máy thu, lỗi đa đường, nhiễu máy thu và sự biến thiên tâm pha của anten. Lỗi truyền tín hiệu bao gồm trễ của tín hiệu GPS khi nó truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu của bầu khí quyển. Trên thực tế, chỉ trong môi trường chân không (không gian tự do) tín hiệu GPS mới truyền với tốc độ ánh sáng. Cộng với ảnh hưởng của nhiễu, vị trí GPS tính toán được còn bị ảnh hưởng bởi vị trí hình học của các vệ tinh GPS được quan sát bởi máy thu. Các vệ tinh càng tỏa rộng trên bầu trời thì độ chính xác đạt được càng cao. Một số lỗi và sai lệch có thể được giới hạn hoặc giảm bớt thông qua sự kết hợp các quan sát GPS một cách thích hợp. 9 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS 2.1 Lỗi lịch thiên văn Vị trí vệ tinh là hàm của thời gian, vị trí này chứa trong bản tin dẫn đường quảng bá của vệ tinh, được dự đoán từ các quan sát GPS trước đó tại các trạm điều khiển mặt đất. Việc mô hình hóa các lực tác động vào vệ tinh thường sẽ không chính xác hoàn toàn, điều này gây nên các lỗi dự đoán vị trí của vệ tinh, gọi là lỗi lịch thiên văn. Bình thường, lỗi lịch thiên văn thường nằm trong khoảng từ 2m đến 5m, và có thể lên đến 50m khi sử dụng khả năng chọn lọc. Lỗi khoảng cách do sự kết hợp của lỗi lịch thiên văn và lỗi đồng hồ vệ tinh nằm ở mức 2.3m. Một lỗi lịch thiên văn cho một vệ tinh cụ thể nào đó được nhận biết bởi tất cả người dùng trên thế giới. Tuy nhiên, những người dùng khác nhau quan sát cùng một vệ tinh ở những góc khác nhau, do đó khoảng và vị trí đo được chịu những ảnh hưởng khác nhau của lỗi lịch thiên văn. Điều này có nghĩa là việc kết hợp đo đạc của hai máy thu đồng thời cùng bám một vệ tinh không thể loại bỏ hoàn toàn lỗi lịch thiên văn. Hình 5: Lịch thiên văn. 10 [...]... truyền đi theo dạng ba hệ số của một đa thức bậc hai Sai số đồng hồ vệ tinh gây thêm các sai số cho đo đạc GPS Các lỗi này ảnh hưởng chung đến mọi người dùng quan sát cùng một vệ tinh và có thể loại bỏ bằng việc lấy sai khác giữa các máy thu này 11 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Hình 6: Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu Cách khắc phục: Áp dụng việc sửa sai đồng hồ vệ tinh trong bản tin dẫn đường... sửa chữa sai số đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên, bỏ qua một lỗi vài ns sẽ dẫn đến sai số khoảng cách khoảng vài m (sai số 1ns tương ứng với sai số khoảng cách là 30cm) Ngược lại, các máy thu GPS sử dụng các đồng hồ tinh thể rẻ tiền, độ chính xác nhỏ hơn nhiều so với các đồng hồ vệ tinh Như vậy, sai số đồng hồ máy thu lớn hơn sai số đồng hồ vệ tinh rất nhiều Tuy nhiên, có thể loại bỏ nó bằng cách lấy sai khác... với cùng loại anten ở mỗi đầu, sai số tâm pha có thể loại bỏ nếu các anten này cùng định 2.4 14 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS hướng Pha trộn các loại anten khác nhau hay sử dụng định hướng khác nhau sẽ không thể loại bỏ được sai số này Do mức độ ảnh hưởng nhỏ, sai số tâm pha anten có thể bỏ qua trong hầu hết các ứng dụng thực tế Hình 8: Lỗi tâm pha ante Cách khắc phục: Cần chỉ ra rằng... Tuy nhiên, có thể loại bỏ nó bằng cách lấy sai khác giữa các vệ tinh hoặc có thể coi sai số này như một tham số chưa biết thêm vào trong quá trình dự đoán 12 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS 2.3 Lỗi đa đường Phân tập đa đường là một nguồn lỗi nghiêm trọng cho cả đo đạc pha sóng mang và khoảng cách giả Lỗi đa đường xuất hiện khi tín hiệu GPS đến anten máy thu theo nhiều đường khác nhau Những...CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Cách khắc phục: Nhưng với những người sử dụng gần nhau có thể nhận biết được hầu hết lỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn bằng cách lấy sai khác của các kết quả quan sát này Trong định vị tương đối, người ta sử dụng quy tắc ngón tay cái để đánh giá thô ảnh hưởng của lỗi lịch thiên văn đối với độ phân giải đường ranh giới: lỗi đường... C/A Hình 7: Lỗi đa đường ở GPS Cách khắc phục: Tuy nhiên, với những tiến bộ mới trong công nghệ máy thu, khoảng cách giả đa đường thực tế giảm đi rất nhiều Ví dụ về những công nghệ này là bộ tương quan Strobe (Ashtech, Inc.) và 13 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS MEDLL (NovAtel, Inc.) Với những công nghệ làm giảm phân tập đa đường này, lỗi phân tập đa đường của khoảng cách giả có thể giảm xuống... ly, trễ tầng điện ly có thể xác định với độ chính xác cao bằng cách kết hợp các phép đo khoảng cách giả 18 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS mã P trên cả L1 và L2 Tuy nhiên, mã P chỉ được truy cập bởi những người sử dụng được phép Với sự có mặt của mã C/A thứ hai trên L2 trong chương trình hiện đại hóa, giới hạn này sẽ được loại bỏ Các phép đo pha sóng mang L1 và L2 có thể kết hợp theo một kiểu... quan sát L1 và L2 Điều này chủ yếu là do trễ tầng đối lưu không phụ thuộc vào tần số Trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, và độ 19 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS ẩm trên đường truyền trong tầng đối lưu Tín hiệu từ các vệ tinh có góc ngẩng nhỏ đi qua quãng đường dài hơn trong tầng đối lưu so với các vệ tinh có góc ngẩng lớn hơn Vì vậy, trễ tầng đối lưu nhỏ nhất khi vệ tinh ở trên... GPS được đo bằng cách kết hợp ảnh hưởng của các sai số phép đo không được mô hình và hình học vệ tinh Sai số phép đo không mô hình rất khó đo đạc từ vệ tinh này đến vệ tinh kia, chủ yếu là do các góc nhìn khác nhau Hơn nữa, sai số khoảng cách đối với các vệ tinh khác nhau sẽ có một mức độ giống nhau nào đó (tương quan) Để xác định cặn kẽ độ chính xác định vị GPS mong muốn, chúng ta có thể áp dụng các. .. dụng các kỹ thuật ước lượng như phương pháp bình phương nhỏ nhất Ước lượng bình phương nhỏ nhất của vị trí người dùng cũng như ma trận hiệp biến của nó Ma trận hiệp biến cho ta biết cách thức xác định vị trí người sử dụng Thực tế, ma trận hiệp biến phản ánh sự kết hợp ảnh hưởng của sai số đo đạc và hình học vệ tinh 20 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS Một cách đơn giản hơn để kiểm tra độ chính . xấp xỉ 20.200km. Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L1 1 575 .42MHz và L2 12 27. 60MHz. Các tín hiệu vệ tinh bao gồm: - Hai tần số sóng mang - Mã đo khoảng cách được. vào khoảng 8.64 đến 17. 28 ns một ngày. Sai số khoảng cách tương ứng từ 2.59 m đến 5.18 m, kết quả này có thể tính ra dễ dàng bằng cách nhân sai số đồng hồ với vận tốc ánh sáng (29 972 9458 m/s). Đồng. để dùng với máy thu GPS của họ. 2. Các nguồn lỗi gây sai lệch vị trí và cách khắc phục trong GPS 7 CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS • Các nguyên nhân chính gây ra sai số trong kĩ thuật