Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 5
Chương I.
Khái quát chung về công nghệ GPS
1.1. Cấu trúc hệ thống GPS
Từ những năm 1960 cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật điện tử, chế tạo tên
lửa và lý thuyết định vị vệ tinh, người ta đã xây dựng được các hệ thống định vị
vệ tinh đầu tiên. Trước khi có hệ thống định vị toàn cầu, Mỹ đã xây dựng hệ
thống định vị vệ tinh khu vực (thuộc lãnh thổ Mỹ) như hệ thống Starfix,
Ominitrac. ở châu Âu có hệ thống định vị vệ tinh Euteltrancs gồm các vệ tinh
địa tĩnh.
Từ năm1967 - 1969 Mỹ đã bắt đầu nghiên cứu đề án TIMATION và đã
đưa lên các quỹ đạo đồng bộ 20 vệ tinh hoạt động ở các độ vĩ từ 60 độ vĩ bắc
đến 60 độ vĩ Nam. Dưới sự chủ trì của bộ quốc phòng Mỹ cả hai đề án 621B và
Timation đã được phối hợp lại và hình thành nên hệ thống định vị toàn cầu
GPS.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS được viết đầy đủ là NAVSTAR GPS
(Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Ngày
22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã
được đưa lên quỹ đạo. Từ ngày 8/12/1993 trên 6 quỹ đạo của hệ thống GPS đã
đủ 24 vệ tinh. Với hệ thống định vị GPS vấn đề về thời gian, tốc độ, vị trí được
giải quyết nhanh chóng, chính xác trên phạm vi toàn cầu trong bất kỳ thời
điểm nào.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là:
+ Phần không gian
+ Phần điều khiển
+ Và đoạn sử dụng
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 6
1. Phần không gian (Space Segment)
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng
quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt
phẳng xích đạo trái đất một góc 55
0
. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo
gần như tròn với chu kỳ là 718 phút. Theo thiết kế, hệ thống gồm có 24 vệ tinh
mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh, với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy, trong
bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên trái đất cũng có thể
quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS.
Chương trình đưa các vệ tinh GPS lên quỹ đạo đã được chia làm các
khối (Block) như sau: Khối I, II, II-A, II-R và II-F. Tính đến năm 1998 chỉ còn
3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II cùng II-A làm việc. Năng
lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin
mặt trời.
Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng
800kg trên quỹ đạo. Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm.
Các vệ tinh của các khối sau có trọng lượng lớn hơn và có tuổi thọ cũng
dài hơn các vệ tinh trước đó. Thí dụ vệ tinh khối I chỉ có trọng lượng là 845kg
song vệ tinh khối II có trọng lượng là 1500kg và đến khối II-R vệ tinh có trọng
lượng là 2000kg. Tuổi thọ của vệ tinh được kéo dài từ 7,5 năm đến trên 10
năm.
Mỗi vệ tinh thuộc khối I (block I) được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử, 2
đồng hồ thuộc loại Censium và 2 đồng hồ thuộc loại Rubidium. Thêm vào đó
mỗi vệ tinh được trang bị thêm bộ tạo giao động thạch anh rất chính xác.
Người ta sử dụng 4 đồng hồ không chỉ với mục đích dự phòng mà còn để tạo
ra một cơ sở giám sát thời gian và cung cấp giờ chính xác nhất. Hệ thống giám
sát thời gian đã được thực hiện đối với các vệ tinh GPS thuộc khối II và khối
II-R. Đồng hồ nguyên tử rubium có độ ổn định kém hơn một chút so với đồng
hồ nguyên tử Censium trong thời gian dài, sai lệch cỡ 10
-12
. Việc hiệu chỉnh
tần số đồng hồ trên vệ tinh có thể thực hiện từ mặt đất nhờ các trạm điều
khiển. Trên các vệ tinh GPS thuộc khối II, người ta đã nâng cấp thiết bị bởi 3
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 7
đồng hồ Censium. Hệ thống giám sát các đồng vệ tinh là một trong các chức
năng của đoạn điều khiển. Các số hiệu chỉnh này được gửi lên vệ tinh và sau
đó truyền tới các máy thu cùng với thông tin trong ephemeris.
Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số 10,23MHz, các
mã (Code) tín hiệu và tần số sóng tải được dựa trên tần số đồng hồ cơ sở
chuẩn. Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ
sở là f
0
=0,23MHz. Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử với
độ chính xác cỡ 10
-12
. từ tần số cơ sở f
0
thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải L
1
và
L
2
.
L
1
= 154 f
0
= 1575.42MHz
có bước sóng
1
= 19,032cm
L
2
= 120 f
0
= 1227.60MHz
có bước sóng
2
= 24,42cm
Các sóng tải L
1
, L
2
thuộc dải sóng cực ngắn với tần số lớn như vậy các
tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng điện` ly (tầng Ion) và tầng đối lưu vì mức
độ làm chậm tín hiệu do tầng điện ly tỷ lệ nghịch với bình phương của 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 (code có thể là dịch mã).
C/A code (coarse/ Acquisition code) là code thô cho phép dùng rộng rãi.
C/A code mang tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này
có tần số chuẩn là (10,23MHz) tương ứng với bước sóng 293m.
C/A code chỉ điều biến sóng tải L
1
, sóng nếu có sự can thiệp của các
trạm điều khiển trên mặt đất có thể chuyển sang cả L
2
.
Chu kỳ của C/A code là 1mili giây, trong đó chứa 10,23 bite (1023
chip), mỗi một vệ tinh phát đi C/A code khác nhau.
P-code (Precision code) là code chính xác, điều biến cả sóng tải L
1
và
L
2
, có độ dài cỡ 10
14
bite (vào cỡ 38 tuần lễ) và là code tựa ngẫu nhiên PRN -
code (Pseudorandom noise). Tín hiệu của P-code có tần số đúng bằng tần số
chuẩn f
0
=(10,23MHz). Tương ứng với bước sóng 29,3m. Mỗi vệ tinh sử dụng
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 8
một đoạn code này (tương ứng với độ dài 1 tuần lễ, gọi là "code tuần lễ").
Code tựa ngẫu nhien là cơ sở để định vị tuyệt đối khoảng cách giả, đồng thời
dựa vào đó có thể nhận biết số hiệu vệ tinh.
P-code được dùng cho mục đích quân sự (của Mỹ) và chỉ được dùng cho
mục đích khác khi phía Mỹ cho phép.
Y-code là code bí mật được phủ lên P-code gọi là kỹ thuật AS (Anti -
Spoofing) chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) mới có khả năng
này. Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao đổi với các trạm
điều khiển trên mặt đất qua các tần số 1783,74MHz và 2227,5MHz để truyền
các thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh.
Người ta ước lượng độ chính xác định vị đạt cỡ 1% bước sóng của tín
hiệu. Như vậy ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độ
chính xác cỡ 3m. Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp
độ chính xác xác định tuyệt đối. Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective
Availability). Do nhiễu SA, khách hàng chỉ có thể dịch vị tuyệt đối với độ
chính xác 50 đến 100m. Từ ngày 20/5/2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.
2. Phần điều khiển (Control Segment)
Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ
thống định vị này. Trạm điều khiển trung tâm (Master Control station - viết tắt
là MCS) được đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Springs. Trạm điều
khiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, cập nhật
thông tin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh. Cùng phối hợp hoạt động với trạm điều
khiển trung tâm là hệ thống hoạt động kiểm tra (Operational Control System -
viết tắt là OCS) bao gồm các trạm theo dõi (monitoring stations) phần bố
quanh trái đất, đó là các trạm Colorado Springs, Hawai, Assension Islands,
Diego Garcia, Kwajalein.
Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được,
các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung
tâm MCS, tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 9
thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh
chuyển đến các máy thu người sử dụng.
Như vậy vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo
dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo
hàng, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS.
Cơ bản quan bản đồ thuộc bộ quốc phòng Mỹ (DMA) đã phối hợp với
một số nước khác, xây dựng mạng lưới theo dõi hệ thống GPS trên toàn cầu,
như các nước Achentina, Australia, Ba ranh, Equador, Anh nhờ sự phối hợp
mang lưới quan trắc rộng dãi này DMA sẽ xác định được epheinerit chính xác.
Nhờ đó cơ quan trắc địa quốc gia Mỹ (NGS) sẽ đáp ứng cung cấp cho các cơ
quan quân sự sử dụng lịch vệ tinh chính xác trong định vị GPS.
Gần đây số lượng trạm quan trắc GPS tăng lên. Nhiều cơ quan trắc địa
bản đồ của các cơ quan khác nhau, nhiều viện nghiên cứu, các trường đại học
và nhiều nhóm nghiên cứu ở mọi nơi trên thế giới đã có được các trạm quan
trắc, quan trắc GPS và sử dụng nó như "sân sau" để được sử dụng GPS với độ
chính xác cao. Trước hết phải kể đến những cố gắng của tổ chức hợp tác quốc
tế về lưới GPS - CIGNET (Cooperative International GPS Network) và những
kết quả đã đạt được của cơ quan ứng dụng GPS trong nghiên cứu địa động lực -
IGS đạt được của cơ quan ứng dụng GPS trong nghiên cứu địa động lực - IGS
(International GPS Service for Geod - dynamics), bắt đầu hoạt động từ
01/01/1994.
3. Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu
vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như: dẫn đường trên biển,
trên không, trên đất liền, và phục vụ công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.
Trong việc khai thác sử dụng công nghệ GPS người ta có thể kết nối các thiết
bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị thu phát khác để thực hiện các kỹ thuật
đo động, thời gian thực (Real time kinematic - RTK), đo vi phân DGPS
(Differential - GPS), đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide - Area -
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 10
Differential - GPS). Trong kỹ thuật WADGPS còn sử dụng vệ tinh viễn thông
thương mại (Commercial communication satellite) như là phương tiện trung
gian đẻ truyền số cải chính vi phân cho các trạm đo.
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ các tiến
bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tin
tín hiệu số, các máy thu GPS đã ngày một hoàn thiện. Ngành chế tạo máy thu
GPS là ngành "kỹ thuật cao". Một số hãng chế tạo còn cho ra các loại máy có
thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS.
Hiện nay đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ thời gian
thực (Real time). Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênh
các loại máy thu này thường có từ 8 đến 12 kênh, mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi
và thu tín hiệu từ một vệ tinh.
1.2. Các nguyên lý định vị GPS
1. Định vị tuyệt đối
Định vị GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
ngay ra tọa độ của điểm quan trắc trong hệ thống toạ độ WGS - 84. Đó có thể
là các thành phần toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc là các thành
phần mặt cầu (B, L, H). Hệ thống toạ độ WGS - 84 cũng là hệ thống toạ độ cơ
sở của hệ thống GPS. Nó được thiết lập gắn liền với Ellipsoid có kích thước:
a = 6378137m
1/ = 289.257223563
Để xác định toạ độ của một điểm trong hệ WGS - 84, chúng ta chỉ cần
quan sát 3 vệ tinh là đủ. Tuy nhiên trong thực tế đồng hồ máy thu không đồng
bộ với đồng hồ vệ tinh tạo nên sai số độ lệch đồng hồ. Do vậy để giải ra toạ độ
của điểm quan sát cần quan sát tới tối thiểu 4 vệ tinh. Điều này cũng có lợi ở
chỗ là ta có thể chọn cách xử lý hậu kỳ nếu quan sát ít nhất 4 vệ tinh.
Tùy theo phương pháp đo, cách sử dụng trị đo mà ta có các phương pháp
định vị tuyệt đối khác nhau.
* Ta chia theo phương pháp định vị:
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 11
- Định vị tuyệt đối trạng thái tĩnh
- Định vị tuyệt đối trạng thái động.
* Ta chia theo cách sử dụng trị đo:
- Định vị tuyệt đối khoảng cách giả.
- Định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải.
Nếu tại vị trí quan trắc ta thu tín hiệu từ các vệ tinh, ta lập được các
phương trình xác định toạ độ điểm là:
Trong đó:
tC
j
i
j
i
j
i
(1.2.1)
222
t
ij
t
ij
t
ij
j
i
ZZYYXX
(1.2.2)
Với (X, Y, Z)
j
: tọa độ của vệ tinh
(X, Y, Z)
i
: tọa độ của máy thu
Hình I.1. Định vị tuyệt đối đo khoảng cách giả
Nguyên tắc giao hội khoảng giả được mô tả như sau:
Trong trường hợp số vệ tinh quan sát được lớn hơn 4 ta sẽ giải được 4 ẩn
số theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất nhờ hệ phương trình số hiệu
chỉnh.
j
i
j
i
j
i
j
i
tCV .
(1.2.3)
Hay ở dạng tuyến tính:
j
i
j
ii
j
i
i
j
i
j
i
i
j
i
j
i
i
j
j
i
ltCdZ
ZZ
dY
YY
dX
XX
V
.
)(
000
(1.2.4)
v1
v2
v3
v4
1
2
3
4
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 12
Trong đó:
j
i
j
i
j
i
l
j: thứ tự của vệ tinh
i: thứ tự của máy thu
Khoảng cách giả code tại thời điểm t được biểu diễn bởi biểu thức sau:
R
i
(t) =
i
(t) + c.(t) (1.2.5)
Trong đó: R
i
(t) khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc và vệ tinh i
i
(t) là khoảng cách hình học giữa vệ tinh i và điểm quan sát
c là vận tốc truyền sóng (vận tốc ánh sáng)
(t) là sai số đồng hồ
Độ sai đồng hồ (t) bao gồm tổng hợp sai số của đồng hồ vệ tinh và
đồng hồ máy thu xét trong hệ thống giờ GPS.
Nếu bỏ qua sai số đồng hồ vệ tinh, tức là d
S
= 0, và lưu ý tới (1.2.5) ta có:
(t) = -
t
(1.2.6)
ở đây ta coi đồng hồ của các vệ tinh đồng bộ với nhau và chạy đúng
giờ GPS. Trên thực tế mỗi vệ tinh có một số hiệu chỉnh đồng hồ riêng. Như đã
nói ở trên. Nếu chúng ta có giá trị gần đúng của vị trí điểm quan trắc là X
0
p
;
Y
0
p
; Z
0
p
ta có thể khai triển tuyến tính vế phải của phương trình (1.2.6). Trong
đó thay cho các ẩn số X
P
, Y
P
, Z
P
là các ẩn số dx
P
, dy
P
, dz
P
với quan hệ:
X
P
= X
0
P
+ dx
P
Y
P
= Y
0
P
+ dy
P
Z
P
= Z
0
P
+ dz
P
(1.2.7)
Sau khi áp dụng khai triển Taylor và giữ lại số hạng bậc nhất của dx
P
,
dy
P
, dz
P
ta được phương trình:
tP
i
P
i
P
i
P
i
P
i
P
i
i
cdz
t
ZtZ
dy
t
YtY
dx
t
XtX
ttR
0
0
0
0
0
0
1
0
(1.2.8)
trong đó:
2
0
2
0
2
0
0 P
i
P
i
P
ii
ZtZYtYXtXt
Chúng ta ký hiệu:
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 13
t
ZtZ
a
t
XtY
a
t
XtX
a
ttRl
i
P
i
i
z
i
P
i
i
y
i
P
i
i
x
ii
i
0
0
0
0
0
0
0
(1.2.9)
Theo ký hiệu trên, với 4 vệ tinh chúng ta có 4 phương trình viết ở dạng
ma trận như sau:
l = A.x (1.2.10)
trong đó:
4
3
2
1
1
444
333
222
111
;;
l
l
l
l
l
dz
dy
dx
x
caaa
caaa
caaa
caaa
A
P
P
P
ZYX
ZYX
ZYX
ZYX
(1.2.11)
Từ hệ phương trình (1.2.10) có thể giải được vectơ ẩn số x gồm 4 ẩn số
cần xác định trong bài toán định vị tuyệt đối khoảng cách giả.
Trong trường hợp, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời tại thời điểm t
nhiều hơn 4 (ký hiệu số vệ tinh quan sát là n; n 4), các ẩn số sẽ được giải ra
theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. Trong trường hợp này ta có hệ
phương trình số hiệu chỉnh:
v = A.x - l (1.2.12)
trong đó:
n
t
P
P
P
n
Z
n
Y
n
X
ZYX
ZYX
n
l
l
l
l
dZ
dY
dX
x
caaa
caaa
caaa
A
v
v
v
v
;;
;
2
1
222
111
2
1
(1.2.13)
Trong trường hợp này nếu coi các khoảng cách giả đo được là cùng độ
chính xác thì hệ phương trình chuẩn có dạng:
A
T
A.x - A
T
.l = 0 (1.2.14)
Véc tơ ẩn số x sẽ nhận được từ kết quả giải hệ phương trình chuẩn:
x = (A
T
A)
-1
A
T
l (1.2.15)
Đồ án tốt nghệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phùng Thế Tùng Lớp Trắc địa K44 Sông Đà 14
Sai số trung phương đơn vị trọng số được tính theo công thức quen
thuộc:
4
n
vv
(1.2.16)
Để đánh giá độ chính xác các ẩn số, sử dụng ma trận nghịch đảo của ma
trận hệ số phương trình chuẩn, ký hiệu là Q:
Q = (A
T
A)
-1
(1.2.17)
Tương ứng với thứ tự các ẩn số ta có thể viết các phần tử của ma trận Q
như sau:
tttZtYtX
tZZZZYZX
tYZYYYYX
tXZXYXXX
QQQQ
QQQQ
QQQQ
QQQQ
Q
,,,,
,,,,
,,,,
,,,,
(1.2.18)
Với ký hiệu như trên ta sẽ tính được sai số vị trí điểm định vị tuyệt đối
trong không gian theo công thức:
ZZYYXXP
QQQM
,,,
.
(1.2.19)
Người ta ký hiệu
ZZYYXX
QQQPDOP
,,,
(1.2.20)
PDOP là độ phân tản độ chính xác của vị trí điểm (Position Dilution of
Precision).
Như vậy PDOP là mức đo chất lượng hình học của lời giải bài toán định
vị tuyệt đối. PDOP không có đơn vị, giá trị PDOP càng nhỏ thì chất lượng hình
học của lời giải càng tốt. Khi vệ tinh nhiều và phân bố đều trên bầu trời theo
phương vị và góc cao thì PDOP sẽ nhỏ.
Sai số xác định số hiệu chỉnh đồng hồ
i
(t) được xác định theo công
thức:
TTT
Qm
,
.
(1.2.21)
Người ta ký hiệu
TT
QTDOP
,
(1.2.22)
TDOP là độ phân tản độ chính xác đối với thời gian (Time Ditution of
Precision).
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét