HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS Giảng viên: PSG.TS Nguyễn Đình Việt Học viên: Nguyễn Đức Việt Nguyễn Quốc Thắng Trần Quốc Việt NỘI DUNG Giới thiệu hệ thống GPS 1 Nguyên lý hoạt động 2 Sai số và cách khắc phục 3 Các ứng dụng của GPS 4 2 VTV NGUYỄN QUỐC THẮNG GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GPS VTV 3 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GPS  GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì.  Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến ba vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa độ của vị trí đó.  Với phần mềm của hệ thống GPS, tín hiệu thu được có thể tính được:  Tọa độ không gian tuyệt đối (chính xác có thể tới 1 m)  Số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm)  Số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm) … 4 VTV PHẦN CỨNG HỆ THỐNG GPS NAVSTAR GPS SYSTEM 5 VTV PHẦN ĐIỀU KHIỂN Gồm 8 trạm mặt đất trong đó  4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii;  Một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station)  3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station).  Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh.  Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. 6 VTV PHẦN KHÔNG GIAN a. Chòm vệ tinh GPS:  Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55 o.  Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. b. Cấu trúc tín hiệu GPS  Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số L1: 1575,42 MHz và tần số L2 1227,60 NHz.  Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất C/A (Coarse/Acquisite-code) có tần số 1.023 MHz.  Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai P (Precise - code) có tần số 10,23 MHz.  Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P trong quân sự. 7 VTV PHẦN SỬ DỤNG Gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền phân làm 2 loại:  Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1 dùng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km.  Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2 để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển trái đất. Những bộ phận chính của máy thu GPS gồm:  Ăngten và bộ tiền khuếch đại  Phần tần số vô tuyến (RF)  Bộ vi xử lí  Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện  Thiết bị ghi chép  Nguồn năng lượng 8 VTV TRẦN QUỐC VIỆT NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VTV 9 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG  Tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách“  Kỹ thuật này có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, sẽ có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m 10 VTV [...]...ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI  Cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu (còn gọi là baseline vector)  Ưu điểm hơn so với định vị tuyệt đối: khử hoặc giảm đi sai số đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu hoặc hai vệ tinh VTV 11 ĐỊNH VỊ TĨNH & ĐỊNH VỊ ĐỘNG  Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật... (real-time kinematic – RTK) VTV 12 ĐỊNH VỊ NHIỀU MÁY THU  Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị  Các thông tin thu được từ nhiều máy thu dùng để kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống VTV 13 ĐỊNH VỊ ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI  Dùng khi xác định vị trí chuyển động với độ...  Một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station)  Nếu trạm tĩnh có bộ phận phát radio để phát thông tin (gồm vị trí trạm tĩnh và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm này giải ra ngay tọa độ của mình thì gọi là kiểu định vị động thời gian thực (real-time... nhờ các thuật toán mới  Nâng cao khả năng công nghệ của GPS VTV 16 SAI SỐ ĐỒNG HỒ Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không  đồng bộ của chúng Khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau:   Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và sẽ phát tín hiệu hiệu chỉnh cho máy thu GPS nếu phát hiện có sai  Để giảm ảnh hưởng sai số... phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên VTV 21 NÂNG CAO CÔNG NGHỆ GPS  Trong phương pháp đo tĩnh đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây để áp dụng cho nhiêù mục tiêu khác... được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp  Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt được tới 1 m VTV 18 SAI SỐ MÔI TRƯỜNG TRUYỀN  Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Vì thế người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số... hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát  Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời  Ngoài ra có 2 nguồn gây ra sai số là các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna  Để khắc phục người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy... máy thu các ăngten tĩnh truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có ăngten chuyển động truy cập  Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh và sự thời gian của đồng hồ  Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực VTV 14 SAI SỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC... khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%  Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C/A thì sai số này sẽ là 50 m VTV 20 SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MỚI  Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo để loại trừ sai số:  Hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh  Hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh  Hiệu bậc 3 là... đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát  Ngoài ra có thể cải tiến dùng các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đồng bộ với đồng hồ vệ tinh VTV 17 SAI SỐ QUỸ ĐẠO VỆ TINH Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo chịu nhiều tác động nhiễu như:   Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất,