Bài giảng Hệ thống định vị

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống định vị

1. BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG  Bài giảng HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TP.HCM, 01/2010 1
2. Muïc Luïc CHÖÔNG 1 ÑÒNH VÒ KHOÂNG GIAN 4 1.1 giôùi thieäu 4 1.2 HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ voâ tuyeán 4 1.2.1 Caùc heä thoáng ñònh vò treân maët ñaát 4 1.2.2 Caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh 6 1.3 lòch söû hình thaønh vaø phaùt trieån caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh 8 CHÖÔNG 2 HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ TOAØN CAÀU 14 2.1 Giôùi thieäU 14 2.2 CÔ SÔÛ ñònh vò trong heä thoáng GPS 14 2.2.1 Cô sôû veà maët hình hoïc 14 2.2.2 Cô sôû veà maët ñaïi soá 17 2.3 Caáu truùc heä thoáng ñònh vò toaøn caàu GPS 18 2.3.1 Maûng heä thoáng caùc veä tinh GPS trong khoâng gian 18 2.3.2 Maûng caùc traïm ñieàu khieån heä thoáng GPS 20 2.3.3 Maûng söû duïng heä thoáng GPS 21 2.4 CAÁU TRUÙC TÍN HIEÄU VEÄ TINH 21 2.4.1 Ñaëc ñieåm tín hieäu GPS 21 2.4.2 Caáu truùc tín hieäu veä tinh 22 2.4.3 Thoâng ñieäp phaùt tín haøng haûi (baûn lòch veä tinh) 24 2.4.4 Caùc trò ño pha vaø maõ 25 2.5 Maùy thu GPS 30 2.5.1 Sô ñoà nguyeân lyù 30 2.5.2 Caáu truùc maùy thu 31 2.5.3 Phaân loaïi maùy thu 32 2.6 HEÄ TOAÏ ÑOÄ, THAM CHIEÁU THÔØI GIAN GPS 35 2.6.1 Giôùi thieäu heä toaï ñoä 35 2.6.2 Heä toaï ñoä gaén vaøo traùi ñaát 38 2.6.3 Heä toaï ñoä quoác teá WGS 84 40 2.7 caùc tham chieáu thôøi gian vaø thôøi gian GPS 42 2.7.1 Caùc heä chia thôøi gian 43 2.7.2 Giôø GPS 44 2.8 Quyõ ñaïo veä tinh GPS 45 2.8.1 Caùc ñònh luaät Kepler 45 2.8.2 Caùc quyõ ñaïo elip lyù töôûng 45 2.8.3 Ñònh vò vaø quan traéc veä tinh 47 2.8.4 Caùc thoâng soá treân quyõ ñaïo GPS 48 CHÖÔNG 3 SAI SOÁ ÑO GPS 51 3.1 Giôùi thieäu chung 51 3.2 Caùc sai soá töø maûng ñieàu khieån 54 3.2.1 Sai soá quyõ ñaïo veä tinh 54 3.2.2 Sai soá töø ñoàng hoà veä tinh 55 3.2.3 Chính saùch S/A(Selective Availibility) vaø A/S (Anti-Spoofing) 56 3.3 Caùc sai soá phaùt sinh töø moâi tröôøng lan truyeàn tín hieäu voâ tuyeán 56 3.3.1 Treã taàng ñieän ly 56 3.3.2 Treã treân taàng ñoái löu 61 3.3.3 Ña ñöôøng truyeàn 65 3.4 Sai soá treân maûng maùy thu 69 3.4.1 Sai soá treân trò ño treân ñoàng hoà vaø nhieãu töø maùy thu 69 3.4.2 Sai soá do söï dòch chuyeån taâm pha anten 69 3.5 AÛnh höôûng cuûa caáu hình veä tinh 71 3.5.1 Khaùi quaùt 71 3.5.2 Xaùc ñònh giaù trò GDOP 74 2
3. 3.5.3 Giaûi phaùp khaéc phuïc 74 3.6 TRÒ NHAÄP NHAÈNG CUÛA PHA SOÙNG MANG 75 3.6.1 Pheùp loaïi tröø trò nhaäp nhaèng chu kyø 75 3.6.2 Trò soá tröôït chu kyø 76 3.7 Caùc sai soá ño, sai soá toïa ñoä traïm ño 76 3.7.1 Caùc sai soá ño 76 3.7.2 Moâ hình sai soá ño 77 3.7.3 Toïa ñoä traïm ño 78 CHÖÔNG 4 NGUYEÂN LYÙ ÑÒNH VÒ TREÂN MAÙY THU GPS 79 4.1 Coâng thöùc toaùn hoïc ñeå tính khoaûng caùch giaû. 79 4.2 Xaùc ñònh toaï ñoä maùy thu 80 4.2.1 Tuyeán tính hoùa phöông trình 80 4.2.2 Giaûi phöông trình 82 4.2.3 Tröôøng hôïp maùy thu quan traéc nhieàu hôn 4 veä tinh 82 CHÖÔNG 5 CAÙC KYÕ THUAÄT ÑÒNH VÒ TRONG GPS 84 5.1 Maõ khoaûng caùch CR vaø pha soùng mang CP 84 5.2 Xöû lyù thôøi gian thöïc vaø xöû lyù sau 85 5.3 Ñònh vò ñieåm vaø ñònh vò töông ñoái 85 5.3.1 Ñònh vò ñieåm 85 5.3.2 Ñònh vò töông ñoái (Relative positioning) 86 5.4 Ñònh vò tónh vaø ñoäng 86 5.4.1 Ñònh vò ñieåm tónh 86 5.4.2 Ñònh vò ñieåm ñoäng 86 5.4.3 Ñònh vò töông ñoái tónh 87 5.4.4 Ñònh vò töông ñoái ñoäng 87 5.5 CAÙC KYÕ THUAÄT ÑÒNH VÒ BAÈNG GPS TRONG THÖÏC TEÁ 87 5.5.1 Ñònh vò ñieåm (tuyeät ñoái) 87 5.5.2 Ñònh vò vi sai (DGPS) 88 5.5.3 Caùc kyõ thuaät ñònh vò söû duïng trò ño pha soùng mang 94 5.5.4 Ñoä chính xaùc DGPS 96 5.5.5 Ñöôøng truyeàn voâ tuyeán 96 CHÖÔNG 6 ÑÒNH VÒ ÑOÄNG 98 6.1 GIÔÙI THIEÄU 98 6.2 NGUYEÂN LYÙ HOaïT ÑoäNG CuûA ÑòNH Vò ÑoäNG 98 6.2.1 Caùc moâ hình ñònh vò ñoäng 100 6.2.2 So saùnh caùc moâ hình ñoäng 101 6.2.3 Xöû lyù thôøi gian thöïc vaø xöû lyù sau 102 6.2.4 Ñoä chính xaùc vaø thieát bò (Accuracy and Instrumentation) 102 6.2.5 Phaïm vi öùng duïng 103 6.3 CAÙC öùNG DuïNG TREÂN PHÖÔNG TIeäN ÑÖôøNG Boä 105 6.4 CAÙC öùNG DuïNG TREÂN TAØU THUYeàN 106 6.5 CAÙC öùNG DuïNG TREÂN MAÙY BAY 107 6.5.1 Ño saâu Laser 108 6.5.2 Maùy bay GPS ñònh vò ñoäng vaø öùng laäp baûn ñoà haûi döông hoïc 108 6.5.3 ÖÙng duïng treân maùy bay tröïc thaêng laäp maët caét Laser 110 3
4. CHÖÔNG 1 ÑÒNH VÒ KHOÂNG GIAN 1.1 GIÔÙI THIEÄU Theo Vanicek vaø Krakiwsky (1986), ñònh vò laø xaùc ñònh vò trí cuûa caùc vaät theå tónh hoaëc ñoäng trong khoâng gian. Thoâng thöôøng, vò trí cuûa caùc vaät theå coù theå ñöôïc xaùc ñònh trong moät heä toaï ñoä khoâng gian ba chieàu ñaõ ñöôïc ñònh nghóa tröôùc (goïi laø ñònh vò ñieåm hay ñònh vò tuyeät ñoái) hoaëc theo nhöõng ñieåm ñaõ coù toaï ñoä xaùc ñònh (goïi laø ñònh vò töông ñoái). Phöông phaùp ñònh vò sô khai nhaát ñöôïc loaøi ngöôøi aùp duïng laø phöông phaùp ñinh vò thieân vaên vaø ñöôïc ngöôøi coå xöa aùp duïng khi tìm höôùng ñi trong caùc khu röøng, hay vaøo ban ñeâm, Ban ñaàu phöông phaùp naøy döïa treân vò trí caùc choøm sao treân baàu trôøi ñeå xaùc ñònh vò trí treân maët ñaát. Sau ñoù noù ñöôïc phaùt trieån vaø caûi tieán daàn thaønh moät phöông phaùp ñònh vò hoaøn chænh öùng duïng trong nhieàu muïc ñích khaùc nhau. Cuøng vôùi nhöõng tieán boä vöôït baäc trong lónh vöïc khoa hoïc kyõ thuaät, nhieàu öùng duïng trong cuoäc soáng ñoøi hoûi caùc keát quaû ñònh vò chính xaùc vaø thích nghi trong nhöõng ñieàu kieän khaùc nhau. Nhieàu heä thoáng môùi söû duïng nhöõng phöông phaùp ñònh vò chính xaùc vaø tin caäy hôn ñaõ ñöôïc nghieân cöùu vaø trieån khai öùng duïng. Vôùi nhöõng öu theá vöôït troäi, caùc heä thoáng môùi naøy ñaõ nhanh choùng thay theá caùc heä thoáng cuõ. Hai phöông phaùp ñònh vò khoâng gian coù ñoä tin caäy cao vaø ñöôïc trieån khai öùng duïng roäng raõi trong caùc heä thoáng ñònh vò hieän nay laø phöông phaùp ñònh vò quaùn tính vaø phöông phaùp ñònh vò voâ truyeán. Phöông phaùp ñònh vò voâ tuyeán ñöôïc phaùt trieån vaøo ñaàu nhöõng naêm 40 laø moät phöông phaùp cho keát quaû ñònh vò coù ñoä chính xaùc cao, phaïm vò öùng duïng roäng raõi vaø coù theå hoaït ñoäng trong moïi ñieàu kieän thôøi tieát. Phöông phaùp naøy döïa treân caùc soùng voâ tuyeán phaùt ñi ñeå xaùc ñònh toïa ñoä trong khoâng gian. Heä thoáng ñònh vò ñaàu tieân ñöôïc Myõ xaây döïng treân bôø Baéc Ñaïi Taây Döông vôùi caùc traïm voâ tuyeán ñaët raûi raùc treân maët ñaát trong moät khu vöïc roäng lôùn. Heä thoáng naøy ñöôïc trieån khai öùng duïng ñaàu tieân cho quaân ñoäi Myõ trong chieán tranh theá giôùi thöù hai. Caùc heä thoáng naøy ñöôïc goïi laø caùc heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân maët ñaát ñeå phaân bieät vôùi heä thoáng ñònh vò baèng veä tinh sau naøy. 1.2 HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VOÂ TUYEÁN 1.2.1 Caùc heä thoáng ñònh vò treân maët ñaát Treân phöông dieän lòch söû, caùc heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân maët ñaát xuaát phaùt töø heä thoáng xaùc ñònh höôùng baèng soùng voâ tuyeán, heä thoáng naøy coù teân goïi taét theo töø tieáng Anh laø RDF (Radio Direction Finding ) vaø heä thoáng “Hyperbolic”. Caùc heä thoáng ñònh vò naøy hoaït ñoäng treân moät nguyeân lyù chung laø duøng soùng voâ tuyeán phaùt ra töø nhöõng traïm ñaët taïi nhöõng vò trí ñaõ bieát tröôùc toïa ñoä treân maët ñaát ñeå xaùc ñònh toïa ñoä cuûa nhöõng ñieåm chöa bieát. Heä thoáng RDF döïa treân nguyeân lyù hoaït ñoäng töông ñoái deã hieåu. Moät caùch ñôn giaûn, treân moät vò trí ñaõ bieát tröôùc toïa ñoä, moät traïm phaùt ñöôïc duøng ñeå phaùt ñi caùc tín hieäu voâ tuyeán. Taïi vò trí caàn xaùc ñònh toïa ñoä. moät anten ñònh höôùng ñöôïc duøng ñeå xaùc ñònh moät Bearing (compass sightings) tôùi traïm voâ tuyeán. Goùc Bearing laø goùc hôïp bôûi phöông cuûa ñöôøng thaúng ñi qua vò trí caàn xaùc ñònh vaø vò trí ñaët traïm vôùi moät phöông chuaån cuï theå 4
5. (thöôøng ñöôïc choïn laø höôùng Baéc ñòa lyù). Quaù trình ñöôïc laëp laïi ñoái vôùi caùc traïm khaùc tieáp theo ñeå xaùc ñònh caùc goùc Bearing töông öùng töø ñieåm ñoù tôùi caùc traïm naøy. Töø caùc goùc Bearing coù ñöôïc, ta veõ moät ñöôøng thaúng ñi qua caùc traïm phaùt voâ tuyeán vaø hôïp vôùi phöông chuaån moät goùc baèng goùc Bearing ño ñöôïc töông öùng taïi traïm ñoù. Toïa ñoä cuûa ñieåm caàn xaùc ñònh laø giao ñieåm cuûa hai ñöôøng thaúng ñeán töø hai traïm khaùc nhau. Höôùng Baéc ñòa lyù (00) Höôùng Baéc ñòa lyù (00) Ñieåm caàn xaùc ñònh Bearing Ñieåm coù toïa ñoä ñaõ bieát Ñieåm coù toïa ñoä ñaõ bieát Hình 1.1. Xaùc ñònh toïa ñoä qua caùc goùc Bearing Caùc heä thoáng Hyperbolic thì phöùc taïp hôn. Heä thoáng Hyperpolic söû duïng phöông phaùp truyeàn keát hôïp töø ít nhaát hai traïm voâ tuyeán. Heä thoáng naøy döïa vaøo cô sôû laäp luaän raèng treân taát caû caùc ñieåm, trong ñoù söï sai khaùc giöõa caùc tín hieäu voâ tuyeán ñeán töø caùc traïm khaùc nhau laø moät giaù trò haèng, taïo thaønh moät Hyperbola. Ngöôøi ta coù theå xaây döïng moät beà maët (map) ñöôïc bieåu dieãn baèng nhieàu Hyperpola (Moãi Hyperbola laø moät ñöôøng maø treân ñoù söï khaùc nhau cuûa tín hieäu voâ tuyeán laø moät haèng soá). Ngöôøi söû duïng duøng caùc thieát bò voâ tuyeán ñeå thu nhaän caùc tín hieäu voâ tuyeán sau ñoù keát hôïp caùc söï khaùc nhau nhaän ñöôïc naøy ñeå xaáp xæ caùc Hyperbola treân beà maët. Ñieàu naøy ñaët ngöôøi söû duïng taïi moät nôi doïc theo moät hình cung treân beà maët ñaát. Laëp laïi tieán trình naøy baèng vieäc söû duïng moät caëp traïm khaùc ñeå xaùc ñònh moät Hyperbola tieáp theo. Vò trí cuûa ngöôøi söû duïng ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch tìm ñieåm maø hai Hyperpola giao nhau treân beà maët. Phaàn sau toùm löôït moät soá heä thoáng voâ tuyeán treân maët ñaát ñöôïc söû duïng trong thöïc teá. 1.2.1.1 DECCA Heä thoáng DECCA laø moät heä thoáng ñònh vò Hyperbola taàn soá thaáp. Heä thoáng naøy ñöôïc söû duïng roäng raõi ôû Taây AÂu, Canada, vònh Ba tö vaø vònh Bangal. DECCA ñònh vò baèng caùch so saùnh söï khaùc nhau treân pha cuûa caùc tín hieäu ñöôïc truyeàn töø nhieàu traïm voâ tuyeán khaùc nhau. 1.2.1.2 GEE GEE laø moät heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân maët ñaát cuûa Anh quoác. Heä thoáng naøy töông töï nhö heä thoáng LORAN nhöng söû duïng caùc taàn soá VHF. Do vaäy, heä thoáng naøy chæ giôùi haïn cho caùc höôùng nhìn thaúng. 1.2.1.3 LORAN-A Heä thoáng LORAN-A (LORAN chuaån) ñöôïc phaùt trieån suoát trong chieán tranh theá giôùi thöù II taïi vieän coâng ngheä Massachusetts. LORAN coù nghóa laø ñònh vò khoaûng caùch daøi (Long 5
6. Range Navigation) vaø ñöôïc phaùt trieån ñeå ñaùp öùng nhu caàu ñònh vò ñoä chính xaùc cao cho caùc taøu thuyû vaø maùy bay trong quaân ñoäi. Heä thoáng hoaït ñoäng treân baêng taàn 1850 kHz - 1950 kHz vaø khoaûng caùch ñònh vò leân tôùi 600 daëm. 1.2.1.4 LORAN-C Heä thoáng LORAN-C ñöôïc phaùt trieån vaøo nhöõng naêm 1950. Heä thoáng ñònh vò treân maët ñaát. Hieän taïi, heä thoáng naøy hoaït ñoäng treân baêng taàn 90kHz ñeán 110kHz. LORAN-C laø moät heä thoáng Hyperbolic xung vôùi ñoä chính xaùc döï baùo 0.25 daëm haøng haûi, ñoä chính xaùc laëp laïi 18-19 m, ñoä tin caäy 95% vaø möùc saün saøng laøm vieäc 99.7%. Heä thoáng naøy ñöôïc phaùt trieån ñeå cung caáp cho boä quoác phoøng Myõ vôùi moät khaû naêng ñònh vò voâ tuyeán treân moät khoaûng caùch daøi hôn vôùi ñoä chính xaùc cao hôn caùc heä thoáng tröôùc ñoù. 1.2.1.5 OMEGA OMEGA laø moät heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán treân maët ñaát ra ñôøi tröôùc heä thoáng LORAN-C. Heä thoáng naøy do Myõ phaùt trieån vôùi söï lieân keát cuûa 6 quoác gia khaùc nhau. OMEGA laø moät heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán toaøn caàu, so saùnh treân pha vaø ôû taàn soá raát thaáp cho pheùp ñònh vò trong khoaûng 2 tôùi 4 daëm ôû 95% möùc ñoä tin caäy vôùi 95% möùc saün saøng söû duïng. 1.2.2 Caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh Caùc heä thoáng nhö NAVSTAR vaø GLONASS söû duïng nguyeân taéc ñònh vò tam giaùc. Nghóa laø vò trí maùy thu ngöôøi söû duïng ñöôïc xaùc ñònh döïa treân khoaûng caùch töø maùy thu tôùi nhieàu veä tinh. Do vò trí cuûa veä tinh ñöôïc bieát tröôùc (döïa treân nguoàn soá lieäu baùo tröôùc hoaëc trích töø thoâng tin quaûng baù töø moãi veä tinh) neân vò trí maùy thu coù theå ñöôïc xaùc ñònh. Heä thoáng ñònh vò toaøn caàu söû duïng caùc ñaëc ñieåm cuûa soùng voâ tuyeán phaùt ñi ñeå xaùc ñònh toïa ñoä. Khoâng gioáng nhö caùc heä thoáng ñònh vò söû duïng caùc traïm phaùt treân maët ñaát tröôùc ñaây, caùc traïm phaùt ñaët treân veä tinh thöôøng bao phuû traùi ñaát vôùi ñoä chính xaùc cao hôn caùc traïm treân maët ñaát. Caùc veä tinh phaùt caùc thoâng tin ñònh thôøi, thoâng tin veà vò trí vaø thoâng tin veà söùc khoûe cuûa veä tinh. Maûng khoâng gian (Space Segment) laø moät thuaät ngöõ kyõ thuaät chæ caùc veä tinh naèm trong heä thoáng. Ngöôøi söû duïng caàn moät maùy thu voâ tuyeán ñaëc bieät- maùy thu GPS ñeå thu tín hieäu voâ tuyeán phaùt töø veä tinh. Maùy thu chöùa moät maùy tính ñaëc bieät ñeå tính vò trí töø tín hieäu veä tinh. Ngöôøi söû duïng khoâng phaûi truyeàn baát kyø thöù gì ñeán veä tinh vaø veä tinh khoâng bieát ngöôøi söû duïng ôû ñaâu. Soá ngöôøi söû duïng heä thoáng taïi moät thôøi ñieåm laø khoâng giôùi haïn. Ngöôøi söû duïng vôùi maùy thu cuûa hoï ñöôïc goïi laø maûng ngöôøi söû duïng (User segment). Caùc veä tinh ñöôïc ñieàu khieån vaø giaùm saùt töø caùc traïm treân maët ñaát (Control segment). Traïm ñieàu khieån giaùm saùt ñoä chính xaùc vaø tình traïng söùc khoûe cuûa moãi veä tinh. Caùc leänh vaän haønh, thoâng soá quyõ ñaïo vaø caùc hieäu chænh thôøi gian ñöôïc truyeàn ñeán caùc veä tinh töø caùc traïm ñieàu khieån theo moät chu kyø nhaát ñònh. Caû hai heä thoáng NAVSTAR vaø GLONASS ñeàu cung caáp hai nguoàn tín hieäu ñònh vò. Nguoàn tín hieäu cung caáp thoâng tin ñònh vò coù ñoä chính xaùc cao hôn ñöôïc daønh rieâng cho quaân ñoäi moãi nöôùc chuû quaûn söû duïng vaø nguoàn coù ñoä chính xaùc thaáp hôn ñöôïc cung caáp mieãn phí cho caùc öùng duïng trong daân söï. 6
7. 1.2.2.1 GLONASS GLONASS laø moät heä thoáng ñònh vò veä tinh cuûa Nga. Heä thoáng töông töï nhö moät phieân baûn cuûa heä thoáng NAVSTAR. Heä thoáng naøy bao phuû toaøn caàu, phuïc vuï cho ñònh vò haøng haûi thôøi gian thöïc vôùi ñoä chính xaùc 100m phöông ngang vaø 150m phöông ñöùng. Caáu truùc heä thoáng bao goàm 21 veä tinh chính thöùc vaø 3 veä tinh döï phoøng. 24 veä tinh naøy ñöôïc phaân phoái ñeàu treân ba maët phaúng quyõ ñaïo. Moãi quyõ ñaïo nghieâng 64.80 so vôùi maët phaúng xích ñaïo. Caùc veä tinh naøy di chuyeån treân quyõ ñaïo vôùi chu kyø 11h15 phuùt ôû ñoä cao 19100Km. Heä thoáng hoaït ñoäng treân baêng taàn keùp (1597-1617Mhz, 1240-1260Mhz). Moãi veä tinh phaùt treân moät taàn soá khaùc nhau. Tín hieäu chöùa maõ giaû khoaûng caùch coù phoå traûi roäng. 1.2.2.2 SECOR SECOR (Sequential Collation of Range) laø moät heä thoáng veä tinh ñònh vò vaø daãn ñöôøng cuûa quaân ñoäi Myõ. Heä thoáng naøy goàm 13 veä tinh ñöôïc phoùng leân trong khoaûng thôøi gian töø naêm 1964 ñeán naêm 1969. Haàu heát caùc veä tinh naøy coù kích thöôùc nhoû (17kg-20kg). 1.2.2.3 TRANSIT TRANSIT laø moät heä thoáng ñònh vò veä tinh hoaït ñoäng ñaàu tieân ñöôïc phaùt trieån bôûi Johns Hopkins vaø ñöôïc öùng duïng trong phoøng thí nghieäm vaät lyù. Heä thoáng ñöôïc phaùt trieån vôùi muïc tieâu hoã trôï vieäc ñònh vò caùc taøu ngaàm. Heä thoáng hoaït ñoäng cho muïc tieâu quaân söï töø naêm 1964, thöôøng goàm töø 4-6 veä tinh ôû ñoä cao 1075Km. Heä thoáng TRANSIT cho pheùp ngöôøi söû duïng xaùc ñònh vò trí baèng caùch ño ñoä dòch Dopler cuûa moät tín hieäu voâ tuyeán ñöôïc truyeàn töø veä tinh. Ngöôøi söû duïng coù theå tính vò trí trong khoaûng moät vaøi traêm meùt vôùi ñieàu kieän phaûi bieát ñoä cao so vôùi maët bieån vaø baûn lòch veä tinh. Lòch söû phaùt trieån cuûa heä thoáng truøng hôïp vôùi söï khôûi ñaàu cuûa kyû nguyeân khoâng gian (4-10-1957). Veä tinh ñaàu tieân cuûa TRANSIT ñöôïc phoùng vaøo naêm 1961 sau hai naêm trieån khai. Heä thoáng trieån khai cho muïc ñích daân söï vaøo naêm 1967. Caùc veä tinh ñöôïc thieát keá phaùt tín hieäu treân hai taàn soá (400Mhz vaø 150Mhz). Heä thoáng coù nhöôïc ñieåm laø khoâng bao phuû lieân tuïc veà maët thôøi gian do haïn cheá veà soá löôïng veä tinh vaø cao ñoä cuûa veä tinh quaù thaáp. Heä thoáng bò phaù huyû vaøo naêm 1997 vaø ñöôïc thay theá bôûi heä thoáng ñònh vò toaøn caàu GPS ngaøy nay. 1.2.2.4 NAVSTAR Heä thoáng NAVSTAR GPS laø moät heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán veä tinh ñöôïc phaùt trieån vaø vaän haønh bôûi boä quoác phoøng Myõ (DOD). Heä thoáng NAVSATR cho pheùp ngöôøi söû duïng treân ñaát lieàn, treân bieån, treân khoâng xaùc ñònh toaï ñoä trong khoâng gian ba chieàu, vaän toác vaø thôøi gian suoát trong 24 giôø trong ngaøy trong moïi ñieàu kieän thôøi tieát vaø baát kyø nôi naøo treân theá giôùi vôùi ñoä chính xaùc (precision, accuracy) toát hôn taát caû caùc heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán khaùc ñang toàn taïi trong thôøi ñieåm hieän nay. Beân caïnh caùc chöùc naêng ñònh vò vaø tính thôøi gian, NAVSTAR coøn thöïc hieän nhieàu chöùc naêng khaùc. Khôûi ñaàu vôùi 8 veä tinh di chuyeån, caùc veä tinh NAVSTAR mang caùc thieát bò phaùt hieän caùc vuï noå haït nhaân. Heä thoáng phaùt hieän caùc vuï noå haït nhaân GPS NUDET (Nuclear Detection) laø moät chöông trình lieân keát giöõa Cô quan Khoâng löïc Hoa Kyø vaø Boä Naêng löôïng. 7
8. Ngoaøi caùc heä thoáng ñònh vò veä tinh phoå bieán ñaõ neâu, treân theá giôùi coøn toàn taïi nhieàu heä thoáng ñònh vò veä tinh khaùc phuïc vuï cho caùc nhu caàu khaùc nhau nhö: TIMATION (Myõ), PARUS (TSIKADA-M), TSIKADA, TSYKLON (Nga) 1.3 LÒCH SÖÛ HÌNH THAØNH VAØ PHAÙT TRIEÅN CAÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ VEÄ TINH 10-1940: Taïi Washington D.C. Hoäi doàng Nghieân cöùu Phoøng thuû Quoác gia Myõ ñeà xuaát moät heä thoáng ñònh vò môùi keát hôïp soùng voâ tuyeán vôùi kyõ thuaät môùi cho pheùp ño khoaûng thôøi gian chính xaùc. Töø ñeà xuaát naøy, phoøng thí nghieäm voâ tuyeán MIT ñaõ phaùt trieån heä thoáng LORAN. Ñaây laø heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán ñaàu tieân hoaït ñoäng trong moïi ñieàu kieän thôøi tieát. Caùc traïm ñaàu tieân ñöôïc trieån khai doïc theo Baéc Ñaïi Taây Döông vaø ñöôïc söû duïng trong suoát chieán tranh theá giôùi thöù 2. Sau chieán tranh theá giôùi thöù 2, heä thoáng Omega ñöôïc thieát keá laïi, söû duïng taàn soá thaáp hôn. Heä thoáng naøy bao phuû treân nhieàu vuøng cuûa theá giôùi vôùi soá traïm ít hôn. 20-9-1957: Myõ phoùng thaønh coâng teân löûa ñaïn ñaïo taàm trung US. Thor. Sau ñoù, teân löûa naøy ñöôïc phaùt trieån ñeå phoùng caùc veä tinh NAVSTAR vaø ñöôïc ñaët teân laø Delta. 4-10-1957 Nga phoùng Sputnik-I, veä tinh nhaân taïo ñaàu tieân treân beä phoùng R-7. Phoøng thí nghieäm vaät lyù öùng duïng thuoäc Ñaïi hoïc Johns Hopkins chöùng minh caùc thoâng soá quyõ ñaïo cuûa veä tinh Sputnik coù theå ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño ñoä dòch Doppler cuûa soùng voâ tuyeán phaùt töø veä tinh. Sau moät thaùng, giaû thieát moät vò trí treân maët ñaát coù theå ñöôïc xaùc ñònh neáu bieát caùc thoâng soá quyõ ñaïo veä tinh ñöôïc ñeà xuaát vaø kieåm nghieäm. 31-01-1958: Myõ ñaõ ñöa veä tinh ñaàu tieân mang teân Explorer I vaøo khoâng gian. 17-9-1959: veä tinh ñònh vò ñaàu tieân (TRANSIT 1A) ñöôïc phoùng nhöng leäch quyõ ñaïo. 13-4-1960: Veä tinh ñònh vò ñaàu tieân (TRANSIT 1B) ñöôïc phoùng cho Haûi Quaân Myõ. Heä thoáng TRANSIT ñöôïc thieát keá phuïc vuï nhu caàu ñònh vò chính xaùc caùc taøu ngaàm mang teân löûa ñaïn ñaïo vaø caùc taøu thuûy khaùc cho Haûi Quaân Myõ. 29-6-1961: TRANSIT 4A ñöôïc phoùng. Ñaây laø veä tinh ñaàu tieân mang moät teân löûa ñaåy baèng naêng löôïng haït nhaân. Teân löûa ñaåy naøy coù teân laø SNAP-3 (System for Nuclear Ausiliary Power). 19-9-1962: Heä thoáng TRANSIT tuyeân boá vaän haønh vôùi vieäc phoùng teân löûa TRANSIT 5A. Tuy nhieân, teân löûa naøy ñaõ ñi cheäch quyõ ñaïo. 11-1-1964: Veä tinh ñònh vò vaø daãn ñöôøng ñaàu tieân cho quaân ñoäi Myõ SECOR 1 ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo. 11-2-1965: Myõ phoùng veä tinh SECOR 2. 9-3-1965: Myõ phoùng veä tinh SECOR 3. 3-4-1965: Myõ phoùng veä tinh SECOR 4. 10-8-1965: Myõ phoùng veä tinh SECOR 5. 8
9. 9-6-1966: Myõ phoùng veä tinh SECOR 6. 19-8-1966: Myõ phoùng veä tinh SECOR 7. 5-10-1966: Myõ phoùng veä tinh SECOR 8 19-5-1966: Veä tinh OSCAR 9 (TRANSIT) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo. 31-5-1967: Veä tinh TIMATION-I ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø tieáp theo veä tinh TIMATION-II ñöôïc phoùng vaøo ngaøy 30-9-1969. Thaùng 11-1967: Veä tinh daãn ñöôøng ñaàu tieân cuûa Nga, TSYKLON (Cosnos 192) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo thaáp cuûa traùi ñaát. Thaùng 4-1973: Heä thoáng TIMATION cuûa Haûi Quaân Myõ vaø heä thoáng daãn ñöôøng 621B 3-d cuûa löïc löôïng phoøng khoâng Myõ ñöôïc keát hôïp laïi ñeå phaùt trieån thaønh heä thoáng veä tinh daãn ñöôøng phoøng thuû goïi taét laø DNSS (Defense Navigation Satellite System). Heä thoáng naøy sau ñoù ñoåi teân thaønh NAVSTAR. Thaùng 8-197: Vieäc coá gaéng phaùt trieån moät heä thoáng DNSS môùi (vaãn goùi goïn nhö heä thoáng 621B cuûa löïc löôïng phoøng khoâng) khoâng ñöôïc Hoäi ñoàng Thu Thaäp vaø Xeùt Duyeät Caùc Heä Thoáng Phoøng Thuû, vieát taét laø DSARC (Defense System Acquisition and Review Council), thoâng qua. 17-10-1973: Heä thoáng DNSS thieát keá laïi ñöôïc DSARS thoâng qua. Heä thoáng naøy bao goàm caùc thaønh phaàn toát nhaát cuûa taát caû caùc coâng ngheä ñònh vò voâ tuyeán ñang toàn taïi. Sau cuøng, noù ñöôïc ñoåi teân thaønh NAVSTAR. 14-7-1974: Veä tinh TIMATION II, ñöôïc ñoåi teân thaønh NTS-1 (Navigation Technology Satellite 1). Veä tinh naøy ñaõ mang theo caùc ñoàng hoà nguyeân töû ñaàu tieân (hai boä dao ñoäng Rubidium) vaøo khoâng gian. 14-7-1974: Thö kyù ñaïi dieän Boä Quoác Phoøng Myõ tuyeân boá chöông trình 3 dòch vuï döïa treân khaùi nieäm GPS ñöôïc thieát laäp. 22-2-1978: NAVSTAR 1 (I-1, PRN 4) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 29-3-1978. 13-5-1978: NAVSTAR 2 (I-2, PRN 7) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 14-7-1978. 6-10-1978: NAVSTAR 3 (I-3, PRN 6) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 9-11-1978. 11-12-1978: NAVSTAR 4 (I-4, PRN 8) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 8-1-1979. 9-2-1980: NAVSTAR 5 (I-5, PRN 5) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 27-2-1980. 26-4-1980: NAVSTAR 6 (I-6, PRN 9) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 16-5-1980. 9
10. Ngaøy 18-12-1981: NAVSTAR 7 (I-7) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo nhöng khoâng thaønh coâng. 12-10-1982: Nga phoùng Veä tinh GLONASS 1 (Cosmos 1414) vaøo quyõ ñaïo baét ñaàu thôøi kyø trieån khai heä thoáng GLONASS. 28-6-1983 Boä Quoác Phoøng Myõ (U.S. DoD) thoâng baùo chính saùch an ninh ñoái vôùi NAVSTAR ñöôïc thay ñoåi vaø möùc chính xaùc cuûa dòch vuï ñònh vò chuaån goïi taét laø SPS (Standard Positioning Service) ñöôïc xeùt duyeät laïi. Theo ñoù, SPS seõ coù sai soá toái ña theo phöông ngang laø 100m (95%). Dòch vuï ñònh vò chính xaùc goïi taét laø PPS (Precise Positioning Service ) chæ ñöôïc giôùi haïn cho quaân ñoäi. 14-7-1983: NAVSTAR 8 (I-8. PRN 11) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 10-8-1983. 4-4-1983: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 2, 3. 29-12-1983: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 4,5. 19-5-1984: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 6, 7. 4-9-1984: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 8, 9. 13-6-1984: NAVSTAR 9 (I-9. PRN 13) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 19-7-1984. 13-6-1984: NAVSTAR 10 (I-10. PRN 12) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 3-10-1984. Thaùng 5-1985: Thôøi kyø trieån khai GLONASS thöù hai cuûa Nga ñöôïc baét ñaàu. 17-5-1985: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 10, 11. 24-12-1985: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 12,13. 9-10-1985: NAVSTAR 11 (I-11. PRN 3) ñöôïc phoùng vaøo quyõ ñaïo vaø ñöa vaøo hoaït ñoäng ngaøy 30-10-1985. Ñaây laø veä tinh cuoái cuøng thuoäc nhoùm veä tinh Block I. Tuoåi thoï trung bình cuûa caùc beä tinh naøy khoaûng 7 naêm. 16-9-1986: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 14. 15, 16. 24-4-1987: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 17, 18, 19. 16-9-1987: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 20, 21, 22. 18-2-1988: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 23, 24, 25. 21-5-1988: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 26, 27, 28. 16-9-1988: Nga phoùng caùc veä tinhGLONASS 29, 30, 31. 31-5-1989: Nga phoùng caùc veä tinhGLONASS 34, 35. 14-2-1989: NAVSTAR 14 (II-1, PRN 14) veä tinh daàu tieân cuûa nhoùm Block II ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 14-4-1989. 10
11. 10-6-1989: NAVSTAR 13 (II-2, PRN 2) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy10-8-1989. 21-6-1989 Hôïp ñoàng cung caáp caùc veä tinh Navstar Block IIR ñöôïc U.S. DoD kyù keát vôùi haõng General Electric Astrospace. 17-8-1989: NAVSTAR 16 (II-3, PRN 16) veä tinh thöù 2 trong nhoùm Block II ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 14-9-1989. 21-10-1989: NAVSTAR 19 (II-4, PRN 19)ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 21-11-1989. 11-12-1989: NAVSTAR 17 (II-5, PRN 17) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy11-1-1990. 24-1-1990: NAVSTAR 18 (II-6, PRN 18) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 14-2-1990. Thaùng 3-1990: Boä Quoác phoøng Myõ U.S. DoD kích hoaït chöông trình SA (Selective Availability) treân heä thoáng GPS. Muïc tieâu cuûa chöông trình naøy laø haïn cheá möùc doä chính xaùc ñoái vôùi caùc maùy thu daân söï baèng caùch cung caáp caùc thoâng tin sai leäch veà quyõ ñaïo ñoàng hoà veä tinh . 25-3-1990: NAVSTAR 20 (II-7, PRN 20) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 19-4-1990. 19-5-1990: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 36. 37, 38. 2-8-1990: NAVSTAR 21 (II-8, PRN 21) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 31-8-1990. 10-10-1990: NAVSTAR 15 (II-8, PRN 15) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 20-10-1990. 26-11-1990: NAVSTAR 23 (IIA-10, PRN 23) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 10-12-1990. 9-12-1990: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 39, 40, 41. 4-4-1991: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 42, 43, 44. 3-7-1991: NAVSTAR 24 (IIA-11, PRN 24) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 30-8-1991. 29-1-1992: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 45, 46, 47. 23-2-1992: NAVSTAR 25 (IIA-12, PRN 25) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 24-3-1992. 10-4-1992: NAVSTAR 28 (IIA-13, PRN 28) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 25-4-1992. 7-7-1992: NAVSTAR 26 (IIA-14, PRN 26) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 23-7-1992. 30-7-1992: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 48, 49, 50. 10-8-1992: Veä tinh quan traéc ñaïi döông TOPEX/Poseidon ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo. Veä tinh naøy mang maùy thu GPS cung caáp thoâng tin tham chieáu giöõa veä tinh vaø taâm traùi ñaát. 11
12. 9-9-1992: NAVSTAR 27 (IIA-15, PRN 27) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 30-9-1992. 22-11-1992: NAVSTAR 32 (IIA-16, PRN 1) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 11-12-992. 18-12-1992: NAVSTAR 29 (IIA-17, PRN 29) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 5-1-1993. 3-2-1993: NAVSTAR 22 (IIA-18, PRN 22) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 4-4-1993. 17-2:-1993 Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 51, 52, 53. 30-3-1993: NAVSTAR 31 (IIA-19, PRN 31) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 13-4-1993. 13-5-1993: NAVSTAR 37 (IIA-20, PRN 7) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 12-6-1993. 26-6-1993: NAVSTAR 39 (IIA-21, PRN 9) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 20-7-1993. 9-7-1993: Boä phaän giaùm saùt haøng khoâng lieân bang Myõ caûi tieán vieäc söû duïng maùy thu GPS cho caùc öùng duïng daân söï. 30-8-1993: NAVSTAR 35 (IIA-22, PRN 5) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 28-9-1993. 24-9-1993: Chöông trình GLONASS chính thöùc ñöôïc ñaët döôùi söï uûng hoä cuûa Löïc löôïng Ñaëc traùch Khoâng gian vaø Quaân ñoäi Nga. 26-10-1993: NAVSTAR 34 (IIA-23, PRN 4) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo vaø ñöôïc ñöa vaøo söû duïng ngaøy 29-11-1993. 17-2-1994: FAA thoâng baùo GPS chính thöùc ñi vaøo hoaït ñoäng vaø laø moät boä phaän tích hôïp cuûa heä thoáng ñieàu khieån khoâng löu Myõ. 11-4-1994: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 54, 55, 56. 11-8-1994: Nga phoùng caùc veä tinh GLONASS 57, 58, 59. 30-8-1994: NAVSTAR 36 (IIA-24, PRN 6) ñöôïc phoùng leân quyõ ñaïo. 17-1-1994: Löïc Löôïng Khoâng quaân Myõ thoâng baùo heä thoáng NAVSTAR ñaõ hoøan thieän ñaày ñuû caùc chöùc naêng thieát keá. 7-3-1995: Chính phuû Nga ban haønh saéc leänh veà vieäc söû duïng GLONASS cho caùc muïc tieâu daân söï. 8-8-1996: ICAO traû lôøi ñeà xuaát cuûa Chính Phuû Nga veà vieäc xem xeùt heä thoáng GLONASS nhö moät phaàn cuûa nguoàn taøi nguyeân ñònh vò khoâng löu quoác teá. 31-12-1996: Heä thoáng veä tinh Transit ngöøng hoaït ñoäng taïi thôøi ñieåm 2359 GMT ñöôïc xem nhö moät phaàn trong keá hoaïch phaùt trieån heä thoáng ñònh vò voâ tuyeán cuûa Lieân Bang Myõ trong naêm 1994. 17-1-1997: teân löûa Delta mang veä tinh NAVSTAR GPS IIR-1 noå tung sau khi rôøi beä phoùng 7 giaây. 27-2-1997: Boä Giao thoâng vaø Boä Quoác phoøng Myõ ra tuyeân boá laø caùc maùy thu daân duïng seõ khoâng bò ngaét truy xuaát phaàn pha soùng mang trong tín hieäu L2 (chæ daønh rieâng cho quaân ñoäi). Tuyeân boá cuõng phaùt bieåu raèng khaû naêng trieån khai taàn soá thöù hai cho daân duïng trong nhoùm veä tinh NAVSTAR Block IIF. 12
13. 30-3-1998: Chính phuû Myõ tuyeân boá heä thoáng Navstar seõ cung caáp theâm hai tín hieäu ñònh vò ñöôïc môû roäng cho caùc öùng duïng daân söï. Caùc tín hieän naøy naâng cao ñoä chính xaùc vaø tính saün saøng cho caùc heä thoáng maùy thu daân söï. Taàn soá thöù hai ñöôïc hoaïch ñònh seõ ñöa vaøo söû duïng naêm 2005. 1-5-2000: Chính phuû Myõ tuyeân boá chöông trình S/A thieát laäp cho caùc maùy thu daân söï ñöôïc gôû boû. Vieäc gôû boû S/A laø moät tin quan troïng ñoái vôùi ngöôøi söû duïng GPS. Thaønh phaàn sai soá lôùn nhaát trong ñònh vò GPS laø S/A ñaõ ñöôïc loaïi boû hoaøn toaøn. Do vaäy, ñoä chính xaùc ñònh vò ñöôïc caûi thieän raát lôùn khi S/A ñöôïc gôû boû. 13
14. CHÖÔNG 2 HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ TOAØN CAÀU 2.1 GIÔÙI THIEÄU Heä thoáng ñònh vò toaøn caàu ñöôïc vieát taét theo tieáng Anh laø GPS (Global Positioning System). GPS laø moät heä thoáng cung caáp khaû naêng xaùc ñònh vò trí cuûa ngöôøi söû duïng ôû baát kyø nôi naøo treân beà maët traùi ñaát. Hieän thôøi coù hai heä thoáng GPS “coâng coäng”. Heä thoáng NAVSTAR laø moät heä thoáng do Myõ sôû höõu vaø ñöôïc Boä Quoác phoøng Myõ (DoP: Department of Defense) giaùm saùt. Heä thoáng GLONASS laø heä thoáng thuoäc quyeàn sôû höõu cuûa Nga. Maëc duø caû hai heä thoáng NAVSTAR vaø GLONASS ñeàu laø nhöõng heä thoáng ñònh vò toaøn caàu nhöng NAVSTAR thöôøng ñöôïc ñeà caäp vôùi teân goïi laø GPS vì heä thoáng naøy toàn taïi tröôùc. Phaàn sau chæ taäp trung ñeà caäp ñeán heä thoáng NAVSTAR GPS. Heä thoáng NAVSTAR ñöôïc quaûn lyù bôûi Vaên phoøng chöông trình NAVSTAR GPS chung (NAVSTAR GPS Joint Program Office) ñaët taïi caên cöù khoâng quaân Los Angeles. Ñieåm lieân laïc laáy thoâng tin veà NAVSTAR cho phía daân söï laø Trung taâm Daãn ñöôøng Haøng haûi (NAVCEN: Navigation Center) thuoäc boä phaän Giaùm saùt Haûi phaän Myõ (U.S. Coast Guard). NAVCEN cung caáp thoâng tin veà traïng thaùi heä thoáng trong caùc trang taøi lieäu NANU (Notice Advisory to Navstar Users). Maùy thu daân duïng coù theå nhaän caùc saûn phaåm töø heä thoáng NAVSTAR thoâng qua Uûy Ban Giao tieáp dòch vuï GPS daân duïng (CGSIC: Civil GPS Service Interface Committee). 2.2 CÔ SÔÛ ÑÒNH VÒ TRONG HEÄ THOÁNG GPS 2.2.1 Cô sôû veà maët hình hoïc GPS söû duïng moät thaønh töïu ñöôïc khaûo saùt kyõ löôõng trong kyõ thuaät voâ tuyeán vaø ñònh vò. Chuùng ñöôïc thöïc hieän vaø giaùm saùt bôûi caùc nhaø ñònh vò hoïc vaø caùc nhaø ño ñaïc trong nhieàu theá kyû qua. Veà cô baûn, GPS söû duïng moät taäp caùc ñieåm ñaõ bieát tröôùc toaï ñoä deå tính toïa ñoä caùc ñieåm caàn xaùc ñònh. Trong quaù khöù, ta caàn tính caùc Bearing treân caùc ñieåm toàn taïi vaø laäp löôùi tam giaùc treân moät bieåu ñoà ñeå caùc ñònh vò trí caàn tính. Moät khi xaùc ñònh ñöôïc caùc Bearing, ta coù theå veõ moät ñöôøng thaúng ñi qua vò trí ñaõ bieát vaø vò trí caàn xaùc ñònh naèm treân ñöôøng thaúng naøy. Thöïc hieän töông töï vôùi moät ñieåm khaùc, khi ñoù vò trí ñieåm caàn xaùc ñònh laø ñieåm giao nhau cuûa hai ñöôøng thaúng ñaõ veõ töø caùc Bearing. Neáu tieáp tuïc veõ moät ñöôøng thaúng khaùc töø Bearing cuûa moät ñieåm thöù 3 thì ñöôøng thaúng naøy cuõng ñi qua giao ñieåm cuûa hai ñöôøng thaúng ban ñaàu. Tuy nhieân thoâng thöôøng do höôùng nhìn khoâng chính xaùc neân ñöôøng thaúng thöù ba naøy seõ caét hai ñöôøng thaúng kia taïi hai ñieåm coù moät ñoä leäch khoâng ñaùng keå vaø taïo thaønh moät tam giaùc nhoû. Vò trí caàn xaùc ñònh seõ naèm trong tam giaùc naøy nhöng khoâng theå xaùc ñònh moät caùch chính xaùc. Neáu tam giaùc ñuû nhoû thì ta coù theå xem keát quaû laø toát, ngöôïc laïi ta caàn choïn moät höôùng nhìn khaùc. Ñoä chính xaùc ñöôïc xaùc ñònh chuû yeáu döïa vaøo khaû naêng tính vaø veõ moät Bearing chính xaùc cuõng nhö caáu hình hình hoïc cuûa caùc ñieåm ñaõ bieát. Ñieàu naøy coù nghóa laø neáu caùc vò trí ñaõ bieát gaàn nhau veà moät phía thì keát quaû thu ñöôïc seõ raát keùm hôn laø choïn caùc ñieåm coù moät vaøi goùc 14
15. caùch xa nhau. Hai höôùng nhìn töø vò trí caàn xaùc ñònh tôùi hai ñieåm ñaõ bieát hôïp thaønh 900 laø tröôøng hôïp toát nhaát. Hình 2.1. Nguyeân lyù ñònh vò baèng veä tinh (Moâ hình 2D) GPS söû duïng moät phöông phaùp hôi khaùc bieät. Maùy thu seõ ño caùc khoaûng caùch töø noù ñeán moãi veä tinh vaø söû duïng thoâng tin naøy ñeå xaùc ñònh vò trí. Thaät ra noù chæ ño khoaûng thôøi gian cuûa tín hieäu veä tinh ñeán maùy thu vaø sau ñoù döïa treân caùc thoâng soá ñaõ bieát nhö söï di chuyeån cuûa tín hieäu, vaän toác aùnh saùng ñeå tính ra khoaûng caùch töø thôøi gian maø tín hieäu ñaõ di chuyeån. Tuy nhieân, khoâng gioáng nhö caùc ñieåm moác coå ñieån, caùc veä tinh luoân chuyeån ñoäng. Giaûi phaùp cho vaán ñeà naøy laø caùc veä tinh phaûi gôûi ñi ñuû caùc thoâng tin ñeå tính ra vò trí hieän thôøi cuûa noù lieân quan ñeán maùy thu. Sau khi coù ñöôïc vò trí veä tinh vaø khoaûng caùch tôùi moãi veä tinh, ta coù theå chaáp nhaän raèng vò trí maùy thu laø moät ñieåm treân moät maët caàu vôùi baùn kính laø khoaûng caùch töø veä tinh ñeán maùy thu vaø taâm taïi vò trí cuûa veä tinh. 15
16. Hình 2.2. Vò trí cuûa maùy thu laø giao ñieåm cuûa 2 ñöôøng troøn Ñoái vôùi moät veä tinh thöù hai, baèng caùch xaùc ñònh caùc thoâng tin töông töï, ta cuõng coù theå tính ra moät maët caàu thöù hai. Maët caàu naøy seõ caét maët caàu thöù nhaát taïi moät maët phaúng vaø baây giôø ta coù theå bieát vò trí cuûa maùy thu seõ naèm treân moät ñöôøng troøn ñöôïc moâ taû bôûi söï giao nhau cuûa hai maët caàu. Neáu tieáp tuïc khaûo saùt theâm moät veä tinh thöù ba thì maët caàu naøy seõ giao vôùi ñöôøng troøn taïi hai ñieåm. Neáu ta bieát khoaûng chöøng vò trí maùy thu thì ta coù theå loaïi tröø moät trong soá hai ñieåm naøy vaø ñieåm coøn laïi laø vò trí chính xaùc cuûa maùy thu. Trong khoâng gian 3 chieàu, vò trí cuûa maùy thu ñöôïc xaùc ñònh döïa treân 3 khoaûng caùch ñeán 3 veä tinh töông öùng ñaõ bieát toïa ñoä. Vò trí laø giao ñieåm cuûa 3 maët caàu töông öùng nhö hình veõ. Hình 2.3. Vò trí maùy thu trong khoâng gian 3 D 16
17. Trong thöïc teá, quaù trình ñònh vò maùy thu caàn phaûi xaùc ñònh ñoä leäch cuûa chính ñoàng hoà maùy thu t. Do ñoù coù ñeán 4 aån soá caàn phaûi giaûi (X, Y, Z, t), vaø dó nhieân laø phaûi coù 4 phöông trình khoaûng caùch ñeán 4 veä tinh töông öùng. 2.2.2 Cô sôû veà maët ñaïi soá Moät caùch khaùc ñeå hieåu roõ hôn veà cô cheá ñònh vò veä tinh ta ñi vaøo xem xeùt phöông trình toaùn hoïc ñöôïc xem laø cô sôû cuûa phöông phaùp ñònh vò qua veä tinh. Phöông trình naøy ñöôïc xaây döïng treân ñònh lyù Pythagore nhö sau: PRS T Es X Xs 2 Y Ys 2 (Z Zs) 2 Trong ñoù X, Y, Z laø toaï ñoä (vò trí) caàn xaùc ñònh vaø T laø sai soá taïi ñoàng hoà maùy thu. Caùc soá haïng Xs, Ys, Zs laø toaï ñoä cuûa veä tinh. Caùc toaï ñoä naøy ñöôïc tính thoâng qua caùc thoâng tin veà baûn lòch ñöôïc phaùt bôûi moãi veä tinh. Es laø toång toaøn boä caùc sai soá ñöôïc xaùc ñònh töø caùc moâ hình sai soá töông öùng gaén lieàn vôùi heä thoáng. Caùc sai soá naøy bao goàm nhieàu thaønh phaàn nhö sai soá taàng ñieän ly, sai soá taàn ñoái löu, sai soá töø ñoàng hoà veä tinh vaø caùc nguoàn sai soá khaùc treân maùy thu ñuû lôùn vaø coù theå moâ hình ñöôïc. PRS laø khoaûng caùch xaáp xæ töø veä tinh tôùi maùy thu. Khoaûng caùch giaû vaø toaï ñoä veä tinh coù theå xaùc ñònh moät caùch ñoäc laäp, caùc heä soá trong caùc moâ hình sai soá ñöôïc xaùc ñònh döïa theo caùc thoâng tin töø baûn lòch vaø vò trí veä tinh. Trong phöông trình naøy coù 4 aån chöa bieát ñoù laø X, Y, Z vaø T. Ñeå xaùc ñònh 4 aån naøy ta caàn coù ít nhaát 4 phöông trình. Theo lyù thuyeát ñaïi soá, ñaây laø moät baøi toaùn bình phöông toái thieåu chuaån. 17
18. 2.3 CAÁU TRUÙC HEÄ THOÁNG ÑÒNH VÒ TOAØN CAÀU GPS Heä thoáng ñònh vò toaøn caàu GPS ñöôïc caáu thaønh töø ba maûng: maûng caùc veä tinh trong khoâng gian coù nhieäm vuï nhaän caùc thoâng tin töø traïm ñieàu khieån treân maët ñaát vaø phaùt ñi caùc tín hieäu voâ tuyeán ñònh vò coù taàn soá khoaûng 1.5 Ghz. Tín hieäu naøy chöùa caùc döõ lieäu ñònh vò ñöôïc traïm ñieàu khieån töø maët ñaát truyeàn ñeán. Maûng caùc traïm ñieàu khieån treân maët ñaát duøng ñeå quan traéc caùc veä tinh, tính toaùn caùc thoâng soá quyõ ñaïo, thoâng soá hieäu chænh ñoàng hoà sau ñoù phaùt caùc thoâng tin caäp nhaät vaø caùc leänh ñieàu khieån tôùi moãi veä tinh. Maûng caùc maùy thu coù chöùc naêng thu thaäp döõ lieäu töø caùc veä tinh ñeå tính ra toaï ñoä cuûa chuùng döïa vaøo caùc thoâng tin maø chuùng nhaän ñöôïc töø trong caùc tín hieäu maø noù quan traéc ñöôïc treân moãi veä tinh. 2.3.1 Maûng heä thoáng caùc veä tinh GPS trong khoâng gian Cho ñeán thôøi ñieåm hieän nay, heä thoáng ñònh vò toaøn caàu ñaõ coù 28 veä tinh ñang hoaït ñoäng trong khoâng gian, thöôøng ñöôïc ñeà caäp vôùi teân goïi laø caùc veä tinh NAVSTAR (SVs). Chuùng bay theo caùc quyõ ñaïo ñöôïc ñieàu khieån caån thaän quanh traùi ñaát theo chu kyø 11 giôø 58 phuùt ôû ñoä cao khoaûng 12.600 daëm (20.000Km). Caùc veä tinh naøy ñöôïc nhoùm vaøo 6 quyõ ñaïo, moãi quyõ ñaïo nghieâng 550 so vôùi maët phaúng xích ñaïo neân khoâng coù quyõ ñaïo naøo ñi tröïc tieáp qua caùc cöïc. Tuy nhieân, taïi caùc cöïc cuõng nhö taïi moät vò trí baát kyø treân traùi ñaát ñeàu coù theå nhìn thaáy raát nhieàu quyõ ñaïo. 18
19. 550 Xích ñaïo 600 Hình 4. Quyõ ñaïo veä tinh GPS Treân moãi quyõ ñaïo chöùa moät soá veä tinh nhaát ñònh. Taïi moät thôøi ñieåm luoân coù 24 veä tinh hoaït ñoäng cho muïc ñích ñònh vò vaø con soá naøy coù theå leân ñeán 27 hoaëc 28. Muïc tieâu cuûa heä thoáng laø cho pheùp moät vò trí baát kyø naøo treân traùi ñaát cuõng coù theå nhìn thaáy ít nhaát 4 veä tinh taïi moät thôøi ñieåm vaø trong thöïc teá, soá veä tinh coù theå nhìn thaáy ñöôïc nhieàu hôn raát nhieàu so vôùi con soá naøy, thænh thoaûng soá veä tinh nhìn thaáy ñöôïc coù theå leân con soá laø 12 veä tinh. Thoâng tin veà choøm veä tinh (thoáng keâ thaùng 8/2002) Soá SV Soá Loaïi Ñoàng Ngaøy phoùng Ngaøy söû Quyõ PRN hoà (UT) duïng (UT) ñaïo 13 02 Block II Cs 10-6-89 10-8-89 B5 17 17 Block II Rb 11-12-89 6-1-90 D3 21 21 Block II Cs 2-8-90 22-8-90 E2 15 15 Block II Cs 1-10-90 15-10-90 D5 23 23 Block IIA Cs 26-11-90 10-12-90 E5 24 24 Block IIA Cs 4-7-91 30-8-91 D1 25 25 Block IIA Cs 23-2-92 24-3-92 A2 26 26 Block IIA Rb 7-7-92 23-7-92 F2 27 27 Block IIA Rb 9-9-92 30-9-92 A4 32 01 Block IIA Cs 22-11-92 11-12-92 F4 29 29 Block IIA Rb 18-12-92 5-1-93 F5 22 22 Block IIA Rb 2-3-93 4-4-93 B1 31 31 Block IIA Rb 30-3-93 13-4-93 C3 37 07 Block IIA Rb 13-5-93 12-6-93 C4 39 09 Block IIA Cs 26-6-93 20-7-93 A1 35 05 Block IIA Cs 30-8-93 28-9-93 B4 34 04 Block IIA Rb 26-10-93 22-11-93 D4 36 06 Block IIA Cs 10-3-93 28-3-94 C1 33 03 Block IIA Cs 28-3-96 9-4-96 C2 40 10 Block IIA Cs 16-7-96 15-8-96 E3 19
20. 30 30 Block IIA Rb 12-9-96 10-1-96 B2 38 08 Block IIA Rb 6-11-97 18-12-97 A3 43 13 Block IIR Rb 23-7-97 31-1-98 F3 46 11 Block IIR Rb 7-10-99 3-1-00 D2 51 20 Block IIR Rb 11-5-00 1-6-00 E1 44 28 Block IIR Rb 16-7-00 17-8-00 B3 41 14 Block IIR Rb 10-11-00 10-12-00 F1 54 18 Block IIR Rb 30-1-01 15-2-01 E4 Moãi veä tinh seõ phaùt ñi caùc tín hieäu voâ tuyeán, caùc tín hieäu naøy ñöôïc “laøm daáu” bôûi nhöõng maõ nhaän daïng ñôn nhaát (Unique code). Caùc ñoàng hoà nguyeân töû vôùi doä chính xaùc raát cao ñöôïc gaéùn treân moãi veä tinh seõ ñieàu khieån vieäc phaùt ñi nhöõng tín hieäu vaø maõ naøy. Maûng veä tinh coù nhieäm vuï thu nhaän vaø löu tröõ caùc thoâng tin töø maûng ñieàu khieån treân maët ñaát truyeàn ñeán, thöïc hieän caùc xöû lyù döõ lieäu coù choïn loïc, duy trì thôøi gian chính xaùc vaø phaùt thoâng tin xuoáng cho maûng ngöôøi söû duïng. 2.3.2 Maûng caùc traïm ñieàu khieån heä thoáng GPS Caùc chính naêng chuû yeáu cuûa maûng ñieàu khieån. Quan saùt chuyeån ñoäng cuûa veä tinh vaø tính toaùn döõ lieäu quyõ ñaïo. Giaùm saùt ñoàng hoà veä tinh vaø döï ñoaùn thay ñoåi cuûa noù. Ñoàng boä thôøi gian cuûa ñoàng hoà veä tinh. Phaùt ñi döõ lieäu quyõ ñaïo chính xaùc cuûa veä tinh. Phaùt ñi döõ lieäu gaàn ñuùng quyõ ñaïo veä tinh. Phaùt ñi caùc döõ lieäu khaùc nhö söùc khoûe veä tinh, sai soá ñoàng hoà. 20
21. Heä thoáng GPS ñöôïc vaän haønh vaø ñieàu khieån bôûi boä Quoác phoøng Myõ (U.S. Department Defense) thoâng qua 4 traïm giaùm saùt ñaët treân maët ñaát bao goàm moät traïm chuû (Master station) vaø 3 traïm hoã trôï (Upload station). Caùc traïm giaùm saùt ñöôïc ñaët taïi caùc vò trí ñaõ bieát chính xaùc vaø hoaït ñoäng lieân tuïc trong suoát 24 giôø. Maïng löôùi caùc traïm naøy hieän thôøi ñaët taïi Ascension, Diego Garcia, Kwajalein, Hawaii vaø Colorado Spring. Nhöõng traïm naøy thöïc hieän caùc chöùc naêng chính sau ñaây: Caùc traïm giaùm saùt thöïc hieän quan traéc caùc veä tinh moät caùch lieân tuïc vaø cung caáp döõ lieäu quan traéc ñöôïc veà cho traïm chuû. Traïm chuû seõ tính caùc hieäu chænh ñeå ñoàng boä caùc ñoàng hoà nguyeân töû treân caùc veä tinh vaø noù cuõng duyeät laïi caùc thoâng tin veà quyõ ñaïo, kieåm tra tình traïng söùc khoeû cuûa moãi veä tinh. Sau ñoù traïm chuû seõ truyeàn ngöôïc caùc keát quaû naøy tôùi caùc traïm hoã thôï. Caùc traïm hoã trôï söû duïng caùc thoâng tin ñöôïc cung caáp bôûi traïm chuû ñeå caäp nhaät cho töøng veä tinh rieâng leõ. 2.3.3 Maûng söû duïng heä thoáng GPS Caùc tín hieäu GPS ñöôïc söû duïng hoaøn toaøn mieãn phí trong daân duïng cuõng nhö trong quaân söï. Caùc caù nhaân, ñôn vò, toå chöùc treân khaép theá giôùi neáu coù maùy thu GPS thì ñeàu coù theå söû duïng GPS. Vaøo thôøi ñieåm khôûi ñaàu, caùc maùy thu GPS ñöôïc söû duïng trong hai muïc ñích chính laø xaùc ñònh vò trí vaø daãn ñöôøng. Ngaøy nay chuùng ñöôïc söû duïng heát söùc phoå bieán trong caùc öùng duïng ñònh vò chính xaùc treân ñaát lieàn, treân bieån vaø caû treân khoâng. 2.4 CAÁU TRUÙC TÍN HIEÄU VEÄ TINH 2.4.1 Ñaëc ñieåm tín hieäu GPS Moãi veä tinh phaùt ñi hai loaïi maõ ñôn nhaát. Maõ thöù nhaát, ñôn giaûn hôn goïi laø maõ C/A (coarse acquisition). Maõ thöù hai ñöôïc goïi laø maõ P (Precise). Caùc maõ naøy ñöôïc ñieàu cheá treân hai soùng mang L1 vaø L2. Soùng mang L1 mang caû C/A vaø P trong khi ñoù soùng mang L2 chæ mang moät loaïi maõ P. Caùc maõ naøy thöôøng ñöôïc goïi laø maõ giaû khoaûng caùch. Caùc heä thoáng maùy thu ñònh vò theo maõ giaû khoaûng caùch seõ döïa treân caùc maõ naøy ñeå xaùc ñònh khoaûng caùch töø veä tinh tôùi Anten maùy thu. Caùc veä tinh phaùt tín hieäu treân hai baêng taàn L: L1 = 1575.42 MHz vaø L2 = 1227.6 MHz. Ba loaïi maõ khoaûng caùch nhieãu giaû ngaãu nhieân (pseudo-random noise (PRN) ranging code) ñöôïc söû duïng: Maõ C/A (coarse/acquisition) coù toác ñoä 1.023 MHz vaø chu kyø 1ms. Maõ C/A ñöôïc söû duïng chuû yeáu ñeå xaùc ñònh maõ P vaø duøng cho dòch vuï ñònh vò chuaån. Maõ P coù toác ñoä 10.23Mhz, chu kyø 7 ngaøy vaø ñaây laø maõ giaû khoaûng caùch duøng cho dòch vuï ñònh vò chính xaùc. Maõ Y ñöôïc söû duïng ñeå thay theá maõ P trong tröôøng hôïp S-A ñöôïc kích hoaït. Maõ C/A chæ phaùt treân L1, maõ P toàn taïi treân caû L1 vaø L2. Taát caû caùc veâï tinh khaùc nhau phaùt treân cuøng taàn soá L1 vaø L2 nhöng coù söï phaân chia maõ rieâng reõ. 21
22. Do ñaëc tính traõi phoå cuûa tín hieäu, heä thoáng coù moät khaû naêng khaùng nhieãu giao thoa raát lôùn. Moãi veä tinh phaùt ñi moät thoâng ñieäp ñònh vò chöùa ñöïng caùc thaønh phaàn quyõ ñaïo, tình traïng ñoàng hoà, heä thôøi gian vaø caùc thoâng ñieäp traïng thaùi. Theâm vaøo ñoù, moät baûng lòch cuõng ñöôïc cung caáp vôùi caùc döõ lieäu xaáp xæ cuûa caùc thoâng soá quyõ ñaïo veä tinh ñöôïc kích hoaït. Ñieàu naøy cho pheùp maùy thu coù theå nhìn thaáy taát caû caùc veä tinh tröôùc khi baét ñaàu quan traéc. 2.4.2 Caáu truùc tín hieäu veä tinh Caùc ñoàng hoà nguyeân töû chính xaùc treân veä tinh ñöôïc duøng ñeå taïo ra moät dao ñoäng cô baûn vôùi taàn soá laø f0 = 10.23MHz. Caùc soùng mang L1, L2 vaø maõ giaû khoaûng caùch ñöôïc taïo ra töø taàn soá cô baûn naøy baèng caùc maïch nhaân / chia tín hieäu. L1 = 154f0 = 1575.42MHz L2=120f0 = 1227.3MHz Maõ C/A: laø moät chuoãi caùc bit 1 coù taàn soá f0/10. Chu kyø laëp laïi cuûa maõ naøy laø moät ms. Maõ P: laø moät chuoãi caùc bit 1 coù taàn soá chính baèng f0 vaø chu kyø laëp laïi cuûa maõ naøy laø 267 ngaøy. Baûn lòch veä tinh laø caùc bit döõ lieäu nhaän ñöôïc töø caùc traïm ñieàu khieån. Luoàng bit döõ lieäu naøy coù taàn soá raát thaáp (50Hz). Caùc maõ giaû khoaûng caùch vaø döõ lieäu baûn lòch ñöôïc ñieàu cheá treân caùc keânh soùng mang ñeå truyeàn ñeán maùy thu ngöôøi söû duïng theo sô ñoà nguyeân lyù sau: Soùng mang L1 1575.42MHz Tín hieäu L1 Maõ C/A 1.023 MHz Döõ lieäu thoâng ñieäp phaùt tín haøng haûi 50Hz Maõ P 10.23 MHz Soùng mang L2 1227.6MHz Tín hieäu L2 Boä coäng modullo 2 Boä troän Hình 5. Caáu truùc tín hieäu veä tinh GPS 22
23. Hình . Caáu truùc döõ lieäu veä tinh GPS. Maõ C/A vaø maõ P laø nhöõng daïng maõ nhieãu giaõ ngaãu nhieân (PRN: Pseudo Random Noise). Chuùng ñöôïc taïo ra töø caùc thanh ghi dòch coù hoài tieáp. 3 10 2 3 6 8 9 10 G1 = 1+x +x ; G2=1+x +x +x +x +x +x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Maõ giaõ ngaãu Hình 6. Phöông phaùp taïo maõ nhieãu giaû ngaãu nhieânnhieân C/A Heä thoáng GPS coù taát caû 32 maõ giaû ngaãu nhieân C/A khaùc nhau, töông öùng vôùi 32 caëp teá baøo khaùc nhau cuûa G2. Ñaëc ñieåm quan troïng laø hai maõ baát kyø trong boä maõ naøy coù ñoä quan cheùo raát thaáp. Ñieàu naøy coù nghóa laø chuùng gaàn nhö tröïc giao vôùi nhau. Maõ P cuõng ñöôïc taïo ra theo moät nguyeân taéc töông töï maõ C/A. Ñieåm khaùc bieät laø ngöôøi ta söû duïng ñeán 4 boä thanh ghi dòch chuyeån 10 teá baøo. Hai boä trong soá ñoù ñöôïc lieân keát vôùi nhau ñeå taïo ra maõ X1 daøi 15345000 chip vaø laëp laïi sau moãi chu kyø 1,5 giaây. Hai boä coøn laïi 23
24. ñöôïc duøng ñeå taïo maõ X2 daøi 15345037 chip. Maõ X1 vaø X2 ñöôïc keát hôïp laïi vôùi nhau baèng 37 trò thôøi treã treân maõ X2 ñeå taïo thaønh 37 ñoaïn maõ P khaùc nhau, moãi ñoaïn daøi moät tuaàn. Trong ñoù, 5 ñoaïn ñöôïc duøng ñeå hoã trôï caùc traïm maët ñaát, 32 ñoaïn coøn laïi ñöôïc duøng cho 32 veä tinh khaùc nhau. 2.4.3 Thoâng ñieäp phaùt tín haøng haûi (baûn lòch veä tinh) Thoâng ñieäp ñònh vò GPS bao goàm caùc bit döõ lieäu ñöôïc gaén thôøi gian, caùc bit naøy laøm daáu thôøi gian truyeàn cuûa moãi khung con taïi thôøi ñieåm chuùng ñuôïc veä tinh truyeàn ñi. Moät khung bit döõ lieäu chöùa 1500 bit vaø ñöôïc chia thaønh 5 khung con. Moät khung döõ lieäu ñöôïc phaùt ñi sau moãi 30 giaây. Ba khung con 6 giaây chöùa döõ lieäu quyõ ñaïo vaø ñoàng hoà. Hieäu chænh ñoàng hoà veä tinh ñöôïc gôûi ñi trong moät khung con thöù nhaát vaø caùc taäp döõ lieäu quyõ ñaïo veä tinh chính xaùc (caùc thoâng soá döõ lieäu baûn lòch) cho moãi veä tinh phaùt ñöôïc gôûi ñi trong caùc khung con 2 vaø 3. Caùc khung con 4 vaø 5 ñöôïc söû duïng ñeå phaùt ñi caùc trang khaùc nhau cuûa döõ lieäu heä thoáng, moãi khung chöùa 25 trang khaùc nhau. Hình . Caáu truùc döõ lieäu trong baûn lòch veä tinh Ngoaøi caùc bit döõ lieäu, nhöõng khung con coøn laïi chöùa caùc bit kieåm tra chaün leõ cho pheùp kieåm tra döõ lieäu vaø hieäu chænh caùc sai soá trong ñieàu kieän giôùi haïn. Moät taäp goàm 125 khung con taïo thaønh moät thoâng ñieäp ñònh vò hoaøn chænh chöùa 37500bit vaø ñöôïc phaùt ñi trong moät chu kyø 12.5 phuùt. Caùc thoâng soá döõ lieäu ñoàng hoà moâ taû traïng thaùi cuûa ñoàng hoà veä tinh vaø moái quan heä cuûa noù vôùi thôøi gian GPS. Thoâng thöôøng, 1 maùy thu coù theå thu thaäp döõ lieäu baûn lòch môùi sau moãi giôø, nhöng noù cuõng coù theå söû duïng döõ lieäu cuõ tôùi 4 giôø maø khoâng gaây nhieàu sai soá. 24
25. Caùc thoâng soá töø baûn lòch ñöôïc söû duïng vôùi moät giaûi thuaät ñeå tính vò trí cuûa maùy thu cho moïi thôøi ñieåm naèm trong chu kyø quyõ ñaïo ñöôïc moâ taû baèng taäp caùc thoâng soá baûn lòch. Caùc baûn lòch thieân vaên xaáp xæ caùc thoâng soá quyõ ñaïo cuûa taát caû caùc veä tinh. Möôøi thoâng soá baûn lòch moâ taû quyõ ñaïo veä tinh thoâng qua chu kyø thôøi gian ñöôïc môû roäng vaø moät taäp chöùa taát caû caùc veä tinh ñöôïc gôûi töø moãi veä tinh vôùi chu kyø toái thieåu laø 12,5 phuùt. Tröôùc khi tieán haønh quan traéc, maùy thu caàn phaûi coù moät khoaûng thôøi gian khôûi ñoäng vöøa ñuû ñeå noù coù theå ñoïc ñaày ñuû döõ lieäu baûn lòch. Döõ lieäu quyõ ñaïo gaàn ñuùng ñöôïc maùy thu söû duïng ñeå xaùc ñònh tröôùc vò trí xaáp xæ vaø taàn soá Doppler soùng mang (Ñoä dòch taàn soá gaây ra bôûi toác ñoä thay ñoåi khoaûng caùch tôùi veä tinh di chuyeån) cuûa moãi veä tinh trong choøm veä tinh. 2.4.4 Caùc trò ño pha vaø maõ 2.4.4.1 Caùc trò ño maõ giaû khoaûng caùch Vò trí cuûa maùy thu ñöôïc giaûi töø pheùp ño ba caïnh cuûa tam giaùc sau khi xaùc ñònh khoaûng caùch tôùi moãi veä tinh coù theå nhìn thaáy. Caùc khoaûng caùch ñöôïc ño döïa treân söï töông quan treân maõ hoaëc pha cuûa soùng mang trong tín hieäu nhaän ñöôïc töø veä tinh. Söï sai khaùc veà thôøi gian (time difference) giöõa maõ khi ñöôïc phaùt ñi töø veä tinh vaø maõ khi nhaän ñöôïc taïi anten maùy thu cho pheùp xaùc ñònh khoaûng thôøi gian maø tín hieäu ñieän töø di chuyeån töø veä tinh tôùi anten maùy thu. Söï khaùc bieät veà thôøi gian naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông phaùp ño töông quan maõ. Thôøi gian trong heä thoáng laø thôøi gian GPS. Khoaûng caùch töø veä tinh tôùi maùy thu ñöôïc xaùc ñònh baèng tích cuûa caùc trò ño naøy vôùi vaän toác aùnh saùng. Ñoàng hoà veä tinh Thôøi gian GPS Ñoàng hoà maùy dt t=p/c dT thu /c Hình 8. Caùc trò ño giaû khoaûng caùch Thöïc hieän phaùp ño töông quan maõ, ta xaùc ñònh ñöôïc khoaûng thôøi gian t laø ñoä treã cuûa tín hieäu khi truyeàn töø veä tinh ñeán maùy thu. Theo heä thôøi gian GPS (), t ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: t T ( b ) t( a ) Bieåu thöùc treân coù theå ñöôïc vieát laïi nhö sau: t ( b  a ) [ a t( a )] [ b T( b )] 25
26. Trong ñoù: T ( b ) laø thôøi gian GPS ñöôïc ño baèng ñoàng hoà maùy thu taïi thôøi ñieåm maùy thu nhaän ñöôïc tín hieäu. t( a ) laø thôøi gian GPS ñöôïc ño baèng ñoàng hoà veä tinh taïi thôøi ñieåm veä tinh phaùt tín hieäu.  a laø thôøi gian GPS taïi thôøi ñieåm veä tinh phaùt ñi tín hieäu.  b laø thôøi gian GPS taïi thôøi ñieåm maùy thu nhaän tín hieäu. Maët khaùc, xeùt theo khoaûng caùch töø veä tinh thöù i tôùi maùy thu, ta coù theå vieát laïi bieåu thöùc treân nhö sau: c. ti i c.(dti dT ) Trong ñoù c laø vaän toác aùnh saùng. i laø khoaûng caùch töø veä tinh tôùi maùy thu. dti laø ñoä leäch ñoàng hoà treân veä tinh thöù i. dT laø ñoä leäch treân ñoàng hoà maùy thu. Thöïc teá ñoä treã maø maùy thu xaùc ñònh ñöôïc coøn phuï thuoäc vaøo caùc sai soá trong heä thoáng GPS, xeùt theâm caùc ñoä treã cuûa tín hieäu treân taàn ñieän ly vaø taàn ñoái löu ta coù heä thöùc: i i c. ti ri rr c.(dti dT ) dion dtrop Trong ñoù: ri laø vector bieåu dieån vò trí cuûa veä tinh thöù i trong heä toïa ñoä khoâng gian 3 chieàu. rr laø vector bieåu dieån vò trí cuûa maùy thu trong heä toïa ñoä khoâng gian 3 chieàu. i dion laø ñoä leäch do aûnh höôûng töø taàng ñieän ly leân tín hieäu veä tinh thöù i. i dtrop laø ñoä leäch do aûnh höôûng töø taàng ñoái löu leân tín hieäu veä tinh thöù i. 2.4.4.2 Caùc trò ño pha soùng mang Caùc maùy thu GPS caáp ñoä ño ñaïc ño söï sai khaùc veà pha (phase difference) cuûa soùng mang. Chieàu daøi böôùc soùng cuûa caùc soùng mang L1 vaø L2 ñöôïc bieát tröôùc, do vaäy caùc khoaûng caùch ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch coäng söï sai khaùc veà pha vôùi soá böôùc soùng toång tìm ñöôïc giöõa moãi veä tinh vaø anten maùy thu. 26
27. Soùng mang töø veä tinh t Tín hieäu ñöôïc khoùa Soùng mang thu ñöôïc t t=t0 Phaàn leõ pha soùng mang: Fr() Soá nguyeân laàn chu Soá nguyeân laàn chu kyø thu ñöôïc: kyø taïi thôøi ñieåm t0: Int(,t0,t) N(t0) Soá chu kyø ñoïc ñöôïc Hình 9. Caùc trò ño treân pha soùng mang Vieäc xaùc ñònh soá böôùc soùng nguyeân giöõa anten maùy thu vaø veä ñinh ñöôïc nhaéc ñeán nhö laø vieäc tìm kieám trò nhaäp nhaèng nguyeân (integer ambiguity). Trong phieân ño xöû lyù sau, trò nhaäp nhaèng nguyeân ñöôïc xaùc ñònh suoát trong tieán trình xöû lyù sau. Ñoái vôùi pheùp ño thôøi gian thöïc ñeå ñaït ñeán ñoä chính xaùc möùc centimet, trò nhaäp nhaèng nguyeân ñöôïc xaùc ñònh suoát trong quaù trình khôûi ño. Phöông phaùp ñònh vò treân pha soùng mang döïa treân ñoä leäch pha giöõa soùng mang thu ñöôïc vôùi soùng mang do maùy thu taïo ra. Ñoä leäch naøy ñöôïc xaùc ñònh theo bieåu thöùc sau: j j i i (T )  (t) Trong ñoù: j i laø ñoä leäch pha soùng mang caàn xaùc ñònh giöõa maùy thu thöù i vaø veä tinh thöù j.  j (t) laø pha soùng mang töø veä tinh thöù j. i (T ) laø pha soùng mang do maùy thu thöù i taïo ra. Thöïc hieän moät vaøi pheùp bieán ñoåi khaùc ta ñöôïc phöông trình cuûa pheùp ño treân pha soùng mang nhö sau: j j j j j j .i dion dtrop i c.dt c.dTi .Ni Trong ñoù:  laø böôùc soùng cuûa tín hieäu soùng mang. j Ni laø trò nhaäp nhaèng nguyeân taïi thôøi ñieåm khôûi ño. Phöông trình ño treân pha soùng mang coù taát caû 6 bieán soá: 3 bieán soá trong toïa ñoä maùy thu (xr, yr, zr), ñoä troâi ñoàng hoà maùy thu dT, ñoä troâi ñoàng hoà veä tinh dt vaø trò nhaäp nhaèng 27
28. nguyeân N. Vieäc giaûi tröïc tieáp 6 bieán soá naøy raát phöùc taïp. Do vaäy, trong thöïc teá pheùp ño treân pha soùng mang ñöôïc söû duïng trong nhöõng phöông phaùp ñònh vò vi sai (caùc phöông phaùp laáy hieäu treân caùc trò ño). 2.4.4.3 Phöông phaùp laáy hieäu treân hai maùy thu Phöông phaùp laáy hieäu giöõa hai maùy thu cho pheùp loaïi boû moät phaàn hoaëc toaøn boä caùc sai soá lieân quan ñeán veä tinh. Ñaëc bieät, phöông phaùp naøy loaïi boû hoaøn toaøn sai soá ñoàng hoà veä tinh. Phöông trình hieäu giöõa hai maùy thu coù daïng nhö sau: j j j j j . 21 dion dtrop 21 c.dT21 .N21 j j j 1 2 1 2 1 Hình 10. Phöông phaùp laáy hieäu treân hai maùy thu 2.4.4.4 Phöông phaùp laáy hieäu treân hai veä tinh Phöông phaùp laáy hieäu treân hai veä tinh coù öu ñieåm laø loaïi boû hoaøn toaøn hoaëc giaûm thieåu caùc sai soá lieân quan ñeán maùy thu. Phöông phaùp naøy loaïi boû hoøan toaøn ñoä troâi ñoàng hoà maùy thu. Phöông trình hieäu trong tröôøng hôïp naøy coù daïng nhö sau: 21 21 21 21 21 21 . i dion dtrop i c.dt .Ni 2 1 1 2 i i i Hình 11. Phöông phaùp laáy hieäu treân hai veä tinh 28
29. 2.4.4.5 Phöông phaùp laáy hieäu keùp maùy thu-veä tinh Phöông phaùp laáy hieäu keùp maùy thu-veä tinh keát hôïp caû hai phöông phaùp laáy hieäu vöøa khaûo saùt ôû phaàn treân. Phöông phaùp naøy loaïi boû hoaøn toaøn ñoä troâi treân ñoàng hoà veä tinh vaø ñoä troâi ñoàng hoà maùy thu. Caùc aûnh höôûng töø ñoä leäch quyõ ñaïo vaø khuùc xaï giaûm ñaùng keå. Phöông trình hieäu keùp coù daïng nhö sau: 21 2 2 21 21 . 21 dion dtrop 21 .N21 2.4.4.6 Phöông phaùp laáy hieäu giöõa caùc thôøi ñieåm goác Phöông phaùp laáy hieäu giöõa caùc thôøi ñieåm goác cho pheùp loaïi boû trò nhaäp nhaèng nguyeân trong quaù trình khôûi ño. Phöông trình hieäu trong tröôøng hôïp naøy coù daïng nhö sau: j j j j j .i (t 2 t1) dion dtrop i (t2 t1) c.dt (t2 t1) c.dTi (t2 t1) t2 t1 t i 1 i (t2 ) i Hình 12. Phöông phaùp laáy hieäu treân thang thôøi gian 29
30. 2.4.4.7 Phöông phaùp laáy hieäu ba 2(t1) 1(t2) 1(t1) 2(t2) 1 2 1 Hình 13. Phöông phaùp laáy hieäu ba Phöông phaùp laáy hieäu ba laø söï keát hôïp 3 phöông phaùp laáy lieäu khaûo saùt ôû treân. Phöông phaùp naøy cho pheùp loaïi boû caùc sai soá treân veä tinh, maùy thu vaø trò nhaäp nhaèng nguyeân. Caùc sai soá do khuùc xaï ñöôïc giaûm thieåu. Phöông trình hieäu ba coù daïng nhö sau: 21 3 3 21 .21 (t 2 t1) dion dtrop 21 (t2 t1) 2.5 MAÙY THU GPS 2.5.1 Sô ñoà nguyeân lyù Maùy thu GPS laø moät thieát bò thu voâ tuyeán ñaëc bieät, coù chöùc naêng taùch vaø giaûi maõ tín hieäu GPS thaønh caùc daïng soá lieäu duøng ñöôïc. Ñaëc ñieåm maùy thu phuï thuoäc vaøo öùng duïng ñöôïc thieát keá treân ñoù. 30
31. Thoâng ñieäp haøng haûi Kheách ñaïi Giaûi ñieàu cheá Vaø CHÖÔNGtoác ñoä bit vaø 1 B - Saép xeáp bit döõ lieäu Vò trí, chuyeån ñoåi ñieàu khieån maõ - Kieåm tra chaün leû vaän toác, O - Giaûi maõ döõ lieäu thôøi gian Trò ño maõ - Caùc vò trí veä tinh Ä Boä phaùt C/A - Caùc hieäu chænh maõ C/A khoaûng caùch giaû T - Khoaûng caùch giaû Trò ño - Tính thôøi gian, vò R thôøi gian trí, vaän toác maùy thu Ñoàng hoà O Hình 14.Ä Sô ñoà khoái cuûa moät maùy thu GPS ñôn giaûn N 2.5.2 Caáu truùc maùy thu Maùy thu GPS ñöôïc caáu truùc goàm moät boä thu tín hieäu veä tinh vaø moät boä vi ñieàu khieån ñöôïc tích hôïp ñeå xöû lyù vaø tính toaùn soá lieäu. Haàu heát caùc loaïi boä thu GPS ñeàu coù ñaëc ñieåm gioáng nhö caùc maùy thu tín hieäu cao taàn thoâng duïng. Trong ñoù coù hai loaïi keânh thu tín hieäu ñöôïc söû duïng trong thöïc teá laø keânh töông quan vaø keânh caàu phöông. Moãi boä thu chæ söû duïng moät trong hai loaïi keânh naøy. 2.5.2.1 Keânh töông quan Keânh töông quan maõ bao goàm hai khoái chöùc naêng chính: voøng laëp khoùa maõ vaø voøng laëp khoùa pha. Voøng laëp khoùa pha maõ ñöôïc duøng ñeå xaùc ñònh caùc trò ño döïa treân söï töông quan maõ C/A hoaëc maõ P vaø taùch döõ lieäu baûn lòch veä tinh töø maõ nhieãu giaû ngaãu nhieân; voøng laëp khoùa pha duøng ñeå giaûi ñieàu cheá thoâng ñieäp ñònh vò. Boä loïc Boä loïc Boä giaûi Boä troän Boä troän thoâng daûi thoâng daûi ñieàu cheá Boä troän Boä nhaân Boä loïc taàn soá Boä nhaân thoâng taàn soá thaáp Boä töông Boä taïo Boä dao ñoäng ñieàu quan maõ PRN khieån baèng ñieän aùp Boä loïc Boä dao Boä ñeám Ñoàng hoà thoâng ñoäng noäi thôøi gian thaáp Hình 15. Sô ñoà khoái keânh töông quan 31
32. 2.5.2.2 Keânh caàu phöông Keânh caàu phöông chæ duøng ñeå ño pha soùng mang do caùc daïng maõ vaø thoâng ñieäp daãn ñöôøng bò trieät tieâu khi thöïc hieän bình phöông tín hieäu theo nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa loaïi keânh naøy. Soùng mang chöùa maõ Soùng mang khoâng chöùa maõ Boä loïc Boä troän Boä troän thoâng daûi Soùng mang khoâng chöùa maõ Boä nhaân Boä dao Boä nhaân taàn soá ñoäng noäi taàn soá Hình 16. Sô ñoà khoái keânh caàu phöông 2.5.3 Phaân loaïi maùy thu 2.5.3.1 Phaân loaïi theo caáu truùc a) Maùy thu tuaàn töï Maùy thu tuaàn töï laø loaïi maùy thu söû duïng moät hoaëc hai keânh voâ tuyeán voâ tuyeán (phaàn cöùng) ñeå thöïc hieän quan traéc caùc veä tinh rieâng leû moät caùch tuaàn töï. Caùc maùy thu naøy coù giaù thaønh reû nhaát trong taát caû caùc loaïi maùy thu do maïch phaàn cöùng ñôn giaûn. Tuy nhieân, ñaây laø loaïi maùy thu coù ñoä chính xaùc keùm nhaát vaø noù khoâng theå quan traéc veä tinh ñöôïc khi di chuyeån vôùi toác ñoä cao. b) Maùy thu lieân tuïc Maùy thu lieân tuïc laø loaïi maùy thu vôùi phaàn cöùng ñöôïc thieát keá ñuû soá keânh voâ tuyeán ñeå noù coù theå thöïc hieän quan traéc lieân tuïc taát caû caùc veä tinh xuaát hieän treân baàu trôøi taïi moïi thôøi ñieåm. Loaïi maùy thu naøy coù öu theá hôn haún caùc loaïi maùy thu coù caáu truùc khaùc. Ñeå thöïc hieän quan traéc lieân tuïc loaïi maùy naøy yeâu caàu toái thieåu 4 keânh voâ tuyeán phaàn cöùng. Moät maùy thu 5 keânh coù theå thöïc hieän quan traéc lieân tuïc 4 keânh vaø ñoïc thoâng ñieäp baûn lòch töø 32
33. keânh thöù 5 vì vieäc caäp nhaät cô sôû döõ lieäu veà caùc thoâng soá quyõ ñaïo veä tinh treân maùy thu phaûi ñöôïc giöõ lieân tuïc. Moät maùy thu 6 keânh coù theå ñoïc thoâng ñieäp baûn lòch, quan traéc 4 veä tinh vaø giöõ moät keânh döï phoøng cho tröôøng hôïp moät trong 4 keânh bò maát vôùi moät lyù do naøo ñoù. Moät maùy thu quan traéc toaøn boä (All in view receiver) seõ phaûi coù ñuû soá keânh voâ tuyeán phaàn cöùng (thöôøng laø 12 keânh) ñeå khoùa vôùi caùc veä tinh maø noù xuaát hieän treân baàu trôøi taïi moät thôøi ñieåm baát kyø. c) Maùy thu gheùp keânh (Multiplex) Maùy thu gheùp keânh hoaït ñoäng gioáng nhö moät maùy thu tuaàn töï trong ñoù noù thöïc hieän chuyeån maïch giöõa caùc keânh veä tinh quan traéc ñöôïc. Ñieàu khaùc bieät laø loaïi maùy thu naøy thöïc hieän vôùi moät toác ñoä maãu raát nhanh (xaáp xæ 50 Hz) vaø coù theå quan traéc ñöôïc nhieàu veä tinh hôn maùy thu tuaàn töï. Tuy nhieân, cô cheá hoaït ñoäng naøy vaãn thaáp hôn maùy thu lieân tuïc do noù khoâng theå tích hôïp ñöôïc toaøn boä coâng suaát traûi phoå ñöôïc phaùt cuûa caùc veä tinh. 2.5.3.2 Phaân loaïi theo cô cheá hoaït ñoäng a) Maùy thu töông quan maõ. Maùy thu ñònh vò theo maõ giaû khoaûng caùch laø loaïi maùy thu ñöôïc phaùt trieån töø theá heä ñaàu tieân gaén lieàn vôùi coâng ngheä ñònh vò veä tinh. Loaïi maùy thu naøy xaùc ñònh khoaûng caùch giöõa anten maùy thu vaø veä tinh baèng caùch tính töông quan maõ giaû khoaûng caùch. Ñaây laø loaïi maùy thu coù ñoä chính xaùc khoâng cao tuy nhieân noù vaãn ñang ñöôïc söû duïng roäng raõi vaø trong nhieàu öùng duïng heä thoáng naøy laø moät giaûi phaùp choïn löïa duy nhaát vì nhöõng öu theá voán coù cuûa noù maø maùy thu ñònh vò treân pha soùng mang phaùt trieån sau naøy khoâng theå ñaùp öùng ñöôïc. b) Maùy thu söû duïng töông quan pha soùng mang. Maùy thu ñònh vò theo pha soùng mang ra ñôøi sau loaïi maùy thu ñònh vò treân maõ giaû khoaûng caùch. Loaïi maùy thu naøy söû duïng caùc trò ño pha soùng mang ñeå xaùc ñònh khoaûng caùch töø anten maùy thu tôùi veä tinh. Vôùi vieäc söû duïng caùc trò pha naøy, ñoä chính xaùc cuûa pheùp dònh vò coù theå ñaït ñöôïc döôùi möùc centimet. Loaïi maùy thu naøy chæ thích hôïp cho caùc öùng duïng trong ño ñaïc yeâu caàu ñoä chính xaùc cao nhö trong caùc öùng duïng ño ñaïc traéc ñòa vaø laøm baûn ñoà. c) Phaân loaïi theo soá löôïng taàn soá quan traéc Caùc maùy thu GPS ñöôïc phaân thaønh 2 loaïi: maùy thu 1 taàn soá (single frequency) vaø maùy thu hai taàn soá (Dual- frequency). Caùc maùy thu moät taàn soá chæ quan traéc ñöôïc soùng mang L1 trong khi ñoù maùy thu 2 taàn soá quan traéc treân caû hai soùng mang L1 vaø L2. Caùc maùy thu 2 taàn soá chuû yeáu ñöôïc thieát keá cho caùc loaïi maùy thu ñònh vò treân söï töông quan maõ pha soùng mang. Söï keát hôïp döõ lieäu treân hai taàn soá L1 vaø L2 cho pheùp maùy thu hai taàn soá loaïi boû ñöôïc caùc aûnh höôûng cuûa taàng ñieän ly. Loaïi maùy thu naøy cho ñoä chính xaùc cao hôn raát nhieàu so vôùi loaïi maùy thu moät taàn soá. 2.5.3.3 Phaân loaïi theo öùng duïng a) Maùy thu caàm tay 33
34. Loaïi maùy thu naøy coù ñaëc ñieåm laø nhoû goïn, söû duïng nguoàn pin vaø coù maøn hình hieån thò. Maøn hình hieån thò thöôøng laø LCD vì loaïi maøn hình naøy tieâu hao naêng löôïng thaáp vaø coù theå hieån thò chöõ soá hoaëc ñoà hoïa. Anten coù theå ñöôïc tích hôïp beân trong hoaëc gaén beân ngoaøi thieát bò. b) Maùy thu xaùc ñònh hình daùng Loaïi maùy thu naøy duøng ñeå xaùc ñònh caùc vò trí 3 chieàu cuûa moät ñoái töôïng ñoái vôùi traùi ñaát. Loaïi maùy thu naøy söû duïng nhieàu anten vaø vò trí töông ñoái cuûa chuùng ñöôïc bieát tröôùc. c) Maùy thu duøng trong haøng khoâng Caùc loaïi maùy thu naøy chuyeân duøng trong vieäc daãn ñöôøng haøng khoâng vaø coù theå hieån thi baûn ñoà haøng khoâng. Ñoä chính xaùc phuï thuoäc vaøo töøng loaïi phöông tieän maø maùy thu gaén keát treân ñoù. Caùc maùy thu ñöôïc thieát keá cho caùc öùng duïng haøng khoâng thoâng thöôøng, khoâng söû duïng baát kyø loaïi hieäu chænh naøo neân ñoä chính xaùc khoâng cao. Ñoái vôùi caùc maùy thu tích hôïp trong boä daãn ñöôøng treân caùc maùy bay chuyeân chôû haønh khaùch coù theå ñöôïc thieát keá ñeå söû duïng caùc tín hieäu bieäu chænh dieän heïp ñeå laøm taêng ñoä chính xaùc cho heä thoáng daãn ñöôøng giuùp cho vieäc haï caùch töï ñoäng. d) Maùy thu ñaãn ñöôøng caùc phöông tieân ñöôøng boä, ñöôøng thuûy Caùc maùy thu naøy ñöôïc gaén treân xe hôi, xe taûi, taøu löûa. Muïc ñích cuûa caùc maùy thu naøy coù theå khaùc nhau tuøy thuoäc vaøo caùc öùng duïng. Caùc maùy thu duøng trong xe hôi thöôøng ñöôïc duøng ñeå daãn ñöôøng cho taøi xeá hoaëc gôûi caùc vò trí cuûa moät xe hôi tôùi trung taâm ñaùp öùng caùc tình traïng khaån caáp trong tröôøng hôïp coù tai naïn, e) Maùy thu thu thaäp döõ lieäu vaø laøm baûn doà Caùc maùy thu naøy coù chöùc naêng thu thaäp döõ lieäu vaø xuaát vaøo moät cô sôû döõ lieäu beân ngoaøi. Caùc maùy thu naøy coù ñoä chính xaùc ñònh vò tuyeät ñoái raát cao vaø ñoä chính xaùc hieäu chænh vi sai döôùi 1 meùt. Thoâng thöôøng caùc loaïi maùy thu naøy ñöôïc thieát keá gaén vôùi moät maùy tính nhoû phuïc vuï quaù trình thu thaäp döõ lieäu. Nhieàu maùy tính thu thaäp döõ lieäu naøy coù theå naïp tröôùc ñöôïc caùc thö vieän thuoäc tính. Caùc maùy thu naøy ñöôïc thieát keá cho ngöôøi mang treân tay, nguoàn pin ngoaøi phuï vaø anten coù theå gaén coá ñònh treân moät coïc mang sau löng. f) Caùc maùy thu haøng haûi Caùc maùy thu naøy ñöôïc thieát keá cho vieäc daãn ñöôøng haøng haûi, bao goàm khaû naêng hieån thò caùc baûn ñoà haøng haûi vaø keát noái tôùi caùc thieát bò ñònh vò khaùc. g) Caùc kit OEM (Original Equipment Manufacturer) Loaïi maùy thu naøy ñöôïc thieát keá ñeå tích hôïp vaøo caùc thieát bò khaùc. Khi xuaát xöôûng chuùng ôû daïng baûng maïch hoaëc daïng module, khoâng coù boä phaän hieån thò vaø nguoàn cung caáp. Ñaëc tính kyõ thuaät cuûa OEM raát khaùc nhau tuøy thuoäc vaøo thò tröôøng tieâu thuï thieát bò. h) Caùc maùy thu duøng trong khoâng gian Caùc maùy thu naøy ñöôïc söû duïng treân caùc veä tinh ñeå daãn ñöôøng vaø xaùc ñònh ñoä cao cuûa veä tinh. Chuùng coù theå ñöôïc laøm cöùng baèng böùc xaï vaø coù moät chöông trình ñaëc bieät cho pheùp chuùng hoaït ñoäng ôû vaän toác töông ñoái cao treân quyõ ñaïo veä tinh. 34
35. i) Caùc maùy thu ño ñaïc Caùc maùy thu naøy ñöôïc thieát keá cho caùc muïc ñích ño ñaïc chính xaùc treân maët ñaát. Nhieàu maùy thu loaïi naøy coù anten beân ngoaøi vaø ñöôïc ñaët treân giaù ba chaân. Ngoaøi ra, chuùng coù theå chuyeån ñoåi nguoàn cung caáp trong luùc ñang hoaït ñoäng. j) Caùc maùy thu ñònh thôøi Caùc maùy thu loaïi naøy ñöôïc thieát keá cho muïc ñích tham chieáu thôøi gian vaø taàn soá. Treân caùc maùy thu naøy, vò trí laø thoâng tin thöù caáp vaø thöôøng khoâng ñöôïc ngöôøi söû duïng quan taâm. Thôøi gian vaø taàn soá nhaän ñöôïc töø maùy thu naøy coù ñoä oån ñònh cao vaø coù theå keát hôïp vôùi maïng giôø theá giôùi (UTM) qua chuaån thôøi gian GPS. 2.6 HEÄ TOAÏ ÑOÄ, THAM CHIEÁU THÔØI GIAN GPS 2.6.1 Giôùi thieäu heä toaï ñoä 2.6.1.1 Caùc moâ hình bieåu dieãn traùi ñaát a) Geoid Geoid laø moät maët toaùn hoïc xaáp xæ toát nhaát daïng hình hoïc thöïc cuûa traùi ñaát vaø ñöôïc ñònh nghóa: Geoid laø maët nöôùc bieån trung bình yeân tónh, traûi roäng xuyeân qua caùc luïc ñòa taïo thaønh moät maët cong kheùp kín, phaùp tuyeán taïi moãi ñieåm thuoäc beà maët geoid luoân luoân truøng vôùi phöông cuûa daây doïi ñi qua ñieåm ñoù. Phöông cuûa daây doïi ñöôïc xaùc ñònh laø phöông ñi qua troïng taâm cuûa traùi ñaát. Ñaây laø phöông cuûa troïng löïc taùc duïng leân chaát ñieåm ñaët taïi vò trí ñoù. Do phaân boá cuûa tröôøng troïng löïc traùi ñaát raát phöùc taïp neân khoâng theå coù moâ hình toaùn hoïc ñeå bieåu dieãn. Do vaäy, Geoid khoâng phaûi laø maët toaùn hoïc. Caàn phaân bieät khaùi nieäm Geoid vôùi moâ hình Geoid. Moät moâ hình Geoid laø moät ñònh nghóa toaùn hoïc moâ taû söï khaùc nhau ñoä cao WGS-84 vaø ñoä cao ñòa phöông so vôùi möïc nöôùc bieån trung bình (MSL: mean sea level). Noù xaùc ñònh möïc nöôùc bieån trung bình treân moät ñòa phöông naøo ñoù. Geoid laø moät beà maët ñaúng troïng löïc xaáp xæ möïc nöôùc bieån trung bình, vector troïng löïc ñoàng thôøi laø vector phaùp tuyeán taïi moãi vò trí baát kyø treân maët Geoid. Moâ hình Geoid hay moät taäp tin löôùi Geoid laø moät baûng caùc giaù trò phaân caùch giöõa hai beà maët Geoid vaø Ellipsoid. Giaù trò söï phaân caùch giöõa Geoid vaø Ellipsoid (N) nhaän ñöôïc trong moâ hình Geoid laø hieäu cuûa cao ñoä ellipsoid (H) vôùi moät ñieåm ñaët tröng rieâng. Keát quaû cuûa vieäc duøng moâ hình Geoid laø giaù trò cao ñoä h cuûa moät ñieåm phía treân möïc nöôùc bieån trung bình (Maët Geoid). Beà maët traùi ñaát H h Geoid N Elipsoid 35 Hình 17. Moâ hình khoaûng phaân caùch giöõa Geoid vaø elipsoid
36. b) Ellipsoid (coøn goïi laø sphereoid) Trong heä toïa ñoä ñòa lyù, kích thöôùc vaø hình daïng beà maët cuûa beà maët traùi ñaát ñöôïc xaáp xæ bôûi moät maët caàu (sphere) hoaëc phoûng caàu (spheroid hoaëc Ellipsoid)ù. Maëc duø traùi ñaát coù hình daïng chæ gaàn gioáng quaû caàu tuy nhieân ñoâi luùc traùi ñaát vaãn ñöôïc xem coù hình caàu nhaèm ñôn giaûn hoaù vieäc tính toaùn. Caùc giaû thieát cho raèng traùi ñaát coù hình caàu laø hôïp lyù cho caùc baûn ñoà tyû leä nhoû hôn 1:5.000.000. Ôû tyû leä naøy söï khaùc nhau giöõa hình caàu vaø hình phoûng caàu cuûa traùi ñaát haàu nhö khoâng ñaùng keå. Tuy nhieân, ñeå ñaûm baûo ñoä chính xaùc cho caùc baûn ñoà tyû leä lôùn hôn khoaûng 1:1.000.000, vieäc söû duïng moät maët phoûng caàu ñeå bieåu dieãn hình daïng traùi ñaát ñöôïc goïi laø ellipsoid hoaëc sphereoid laø caàn thieát. Maët ellipsoid laø moät moâ hình toaùn hoïc cuûa traùi ñaát, ñöôïc thaønh laäp khi quay moät ellipse xung quanh truïc nhoû cuûa noù. Ñoái vôùi caùc ellipsoid söû duïng ñeå moâ hình hoaù traùi ñaát thì truïc nhoû cuûa noù truøng vôùi truïc cöïc cuûa traùi ñaát (truïc quay cuûa traùi ñaát) vaø truïc lôùn chính laø truïc xích ñaïo. Moät ellipsoid ñöôïc xaùc ñònh hoaøn toaøn thoâng qua chieàu daøi cuûa hai truïc hoaëc thoâng qua chieàu daøi cuûa moät truïc vaø ñoä deït cuûa noù hoaëc ñoä daøi cuûa moät truïc vaø ñoä leäch taâm cuûa noù. Moät maët caàu ñöôïc xaây döïng treân cô sôû moät ñöôøng troøn trong khi moät spheroid (ellipsoid) ñöôïc xaây döïng treân cô sôû moät ellipse. Hình daïng cuûa moät ellipse ñöôïc ñònh nghóa bôûi hai baùn kính. Baùn kính daøi hôn goïi laø baùn truïc lôùn coøn baùn kính ngaén hôn goïi baùn truïc nhoû. Ellipse naøy quay quanh baùn truïc nhoû cuûa noù taïo neân moät Spheroid. Truïc chính Truïc phuï Baùn truïc chính Baùn truïc phuï Hình 18a. Caùc baùn truïc ellip Moät spheroid cuõng ñöôïc xaùc ñònh baèng hai baùn truïc, moät baùn truïc lôùn laø a vaø moät baùn truïc nhoû laø b hoaëc laø a vaø ñoä deït (flattening). Ñoä deït laø söï khaùc nhau veà chieàu daøi giöõa hai baùn truïc bieåu dieãn bôûi f, vaø f = (a - b)/ a. Ñoä deït coù giaù trò raát nhoû vì theá, ñaïi löôïng 1/f thöôøng ñöôïc söû duïng thay theá. 36
37. Truïc cöïc (Baùn truïc chính) Truïc xích ñaïo (Baùn truïc phuï) Hình 18b. Caùc baùn truïc chính vaø phuï cuûa Spheroid Hieän nay coù raát nhieàu ellipsoid ñöôïc söû duïng. Moät Ellipsoid tieâu bieåu xaáp xæ moâ hình beà maët traùi ñaát coù giaù trò ñöôïc cho nhö sau: a = 6378137.0 meters 1/f = 298.257223563 Ñoä deït thay ñoåi trong phaïm vi töø 0 ñeán 1. Moät giaù trò ñoä deït baèng 0 nghóa laø hai baùn truïc baèng nhau. Ñoä deït cuûa traùi ñaát vaøo khoaûng xaáp xæ 0.00335. Moät heä soá khaùc laø bình phöông cuûa ñoä leäch taâm e cuõng gioáng nhö ñoä deït cuõng thöôøng ñöôïc duøng ñeå moâ taû hình daïng moät spheroid. a2 b2 e2 a2 Toùm laïi, moät ellipsoid ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua moät trong caùc boä thoâng soá: baùn truïc lôùn a vaø baùn truïc nhoû laø b hoaëc baùn truïc lôùn a vaø ñoä deït f hoaëc baùn truïc lôùn a vaø bình phöông ñoä leäch taâm e2. 2.6.1.2 Heä toaï ñoä ñòa lyù a) Giôùi thieäu Moät heä toaï ñoä ñòa lyù (GCS: Geographic Coordinate System) bao goàm moät ellipsoid quy chieáu gaén vaøo traùi ñaát vaø moät heä toaï ñoä ñònh vò trong ellipsoid naøy. Moät heä toaï ñoä ñòa lyù thöôøng ñöôïc goïi khoâng chaët cheõ maáy laø heä toaï ñoä (datum), nhöng thöïc teá heä toaï ñoä chæ laø moät boä phaän cuûa heä toaï ñoä ñòa lyù. Moät heä toaï ñoä ñòa lyù bao goàm ñôn vò tính cho goùc ño, moät kinh tuyeán goác vaø moät heä toaï ñoä ñaët treân moät spheroid. Moät ñoái töôïng ñöôïc tham chieáu bôûi giaù trò kinh tuyeán vaø vó tuyeán vaø ñoä cao cuûa noù (, , h). Caùc giaù trò kinh ñoä vaø vó ñoä laø caùc goùc ño töø troïng taâm traùi ñaát ñeán moät ñieåm treân beà maët traùi ñaát. Caùc goùc naøy ñöôïc ño baèng ñoä hoaëc gradian. 37
38. Trong heä thoáng caàu caùc ñöôøng ngang (ñöôøng ñoâng taây ) cuûa vó tuyeán töông öùng thì song song vôùi nhau. Caùc ñöôøng ñöùng (ñöôøng baéc nam) laø caùc ñöôøng cuûa caùc kinh tuyeán töông öùng (longitudes hoaëc meridians). Nhöõng ñöôøng naøy bao quanh quaû caàu traùi ñaát vaø taïo neân moät maïng löôùi ñöôïc goïi laø löôùi kinh vó. b) Caùc heä toaï ñoä ñòa lyù Moät spheroid xaáp xæ hình daïng cuûa traùi ñaát, moät heä toaï ñoä gaén treân noù seõ xaùc ñònh vò trí cuûa spheroid ñoái vôùi taâm traùi ñaát. Moãi heä toaï ñoä nhö vaäy cung caáp moät khung tham chieáu ñeå ño caùc vò trí treân beà maët traùi ñaát. Noù ñònh nghóa goác vaø höôùng cuûa caùc ñöôøng kinh tuyeán vó tuyeán. Khi ta thay ñoåi hoaëc hieäu chænh moät heä toaï ñoä, thì trong heä toaï ñoä ñòa lyù, caùc giaù trò toaï ñoä cuûa döõ lieäu seõ thay ñoåi. Trong khoaûng 15 naêm trôû laïi ñaây döõ lieäu veä tinh ñaõ cung caáp caùc trò ño môùi ñeå xaùc ñònh moät spheroid phuø hôïp vôùi traùi ñaát nhaát. Moät heä toaï ñoä söû duïng troïng taâm khoái löôïng cuûa traùi ñaát laøm vò trí goác toaï ñoä ñöôïc goïi laø heä toaï ñoä ñòa taâm. Heä toaï ñoä ñöôïc söû duïng phoå bieán vaø roäng raõi gaàn ñaây laø World Geodetic System of 1984 (WGS84). Moät heä toaï ñoä ñòa phöông duøng moät ellipsoid quy chieáu ñòa phöông töông öùng ñeå ñaït söï phuø hôïp nhaát vôùi beà maët traùi ñaát taïi ñòa phöông ñang xeùt. 2.6.2 Heä toaï ñoä gaén vaøo traùi ñaát 2.6.2.1 Phaân loaïi caùc heä toaï ñoä a) Heä toaï ñoä ñòa lyù (coøn goïi laø heä toaï ñoä traéc ñòa) Heä toaï ñoä ñòa lyù (coøn coù teân goïi khaùc laø heä toaï ñoä traéc ñòa) laø moät heä toaï ñoä caàu, trong ñoù vò trí cuûa ñieåm P trong khoâng gian ñöôïc xaùc ñònh bôûi kinh ñoä ñòa lyù , vó ñoä ñòa lyù , vaø cao ñoä h. Toïa ñoä ( , , h) ñöôïc goïi laø toïa ñoä ellipsoid. 38
39. Hình . Heä toïa ñoä ñòa lyù. Kinh ñoä ñòa lyù laø goùc nhò dieän giöõa hai maët phaúng: moät maët phaúng chöùa kinh tuyeán goác ñi qua ñaøi thieân vaên Greenwich vaø moät maët phaúng chöùa kinh tuyeán ñi qua ñieåm Q, nhaän giaù trò töø 0o ñeán 180o sang hai phía Ñoâng vaø Taây. Vó ñoä ñòa lyù laø goùc giöõa phaùp tuyeán cuûa ellipsoid taïi Q vaø maët phaúng xích ñaïo, nhaän giaù trò töø 0o ñeán 90o veà hai cöïc Baéc vaø Nam b) Heä toaï ñoä thieân vaên Heä toaï ñoä thieân vaên töông töï heä toaï ñoä traéc ñòa nhöng caùc giaù trò kinh ñoä vaø vó ñoä thì laáy theo phöông daây doïi laøm chuaån (ñi qua taâm traùi ñaát) trong khi heä toaï ñoä traéc ñòa thì laáy phöông phaùp tuyeán laøm chuaån. Ñeå chuyeån ñoåi caùc kinh ñoä, vó ñoä töø heä toaï ñoä thieân vaên sang heä toaï ñoä traéc ñòa caàn phaûi coäng theâm caùc thoâng soá hieäu chænh do ñoä leäch cuûa daây doïi so vôùi phöông phaùp tuyeán. c) Heä toaï ñoä ñòa taâm Heä toaï ñoä ñòa taâm cuõng laø moät heä toaï ñoä caàu töông töï nhö heä toaï ñoä ñòa lyù nhöng laáy ñöôøng thaúng höôùng taâm laøm cô sôû ñeå xaùc ñònh vó ñoä. Vò trí cuûa ñieåm Q treân maët caàu ñöôïc xaùc ñònh bôûi kinh ñoä ñòa taâm c vaø vó ñoä ñòa taâm c. Nhö vaäy, giaù trò kinh ñoä ñòa taâm baèng kinh ñoä ñòa lyù ( = c), nhöng vó ñoä ñòa taâm thì khaùc vó ñoä ñòa lyù. Baèng caùc pheùp bieán ñoåi löôïng giaùc vaø khai trieån Taylor sau khi boû qua voâ cuøng beù baäc 3 ta xaùc ñònh ñöôïc bieåu thöùc quan heä giöõa vó ñoä ñòa taâm vaø vó ñoä ñòa lyù nhö sau: 2 Sin( - c) = e .Sin .Cos d) Heä toaï ñoä khoâng gian ba chieàu 39
40. Kinh tuyeán goác Cöïc Baéc Z + M(X,Y,Z) 0,0,0 Y Xính ñaïo X Hình 20. Heä toaï ñoä khoâng gian 3 chieàu. Heä toaï ñoä khoâng gian 3 chieàu laø heä toaï ñoä vuoâng goùc 3 chieàu nhaän taâm ellipsoid laøm goác, nhaän truïc nhoû cuûa cuûa ellipsoid quy chieáu laøm truïc Z, nhaän giao tuyeán cuûa maët phaúng kinh tuyeán ñi qua ñaøi thieân vaên Greenwich vaø maët xích ñaïo laøm truïc X vaø truïc Y ñöôïc xaùc ñònh theo quy taéc baøn tay traùi. Moãi moät vò trí trong heä toaï ñoä khoâng gian 3 chieàu hoaøn toaøn ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua 3 toaï ñoä (X, Y, Z) cuûa vò trí ñoù. Toïa ñoä (X, Y, Z) ñöôïc goïi laø toïa ñoä Decac. 2.6.3 Heä toaï ñoä quoác teá WGS 84 Heä toaï ñoä quoác teá WGS-84 (World Geodetic system) laø moät heä toaï ñoä ñòa lyù ñöôïc haàu heát caùc quoác gia coâng nhaän. Goác heä toïa ñoä truøng vôùi troïng taâm cuûa traùi ñaát. Heä toaï ñoä naøy duøng ellipsoid quy chieáu laø ellipsoid WGS-84. Ellipsoid WGS84 laø moät ellipsoid ñöôïc xaùc laäp kích côõ vaø coù caùc thoâng soá ñònh vò coù theå moâ hình moät caùch toát nhaát cho toaøn boâï beà maët traùi ñaát. Caùc thoâng soá cuûa ellipsoid naøy ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: Ñoä daøi Baùn truïc chính: a =6378137 (m) Doä daøi baùn truïc phuï: b=6356752.3142 (m) Ñoä deït (Flattening):1/f=298.257222932869640 Ñoä nghieâng (Eccentricity): e=0.081819190928906 Taâm cuûa elisoid naøy truøng vôùi taâm cuûa traùi ñaát (heä toaï ñoä ñòa taâm). Kinh tuyeán goác cuûa heä toaï ñoä WGS 84 laø kinh tuyeán ñi qua ñaøi thieân vaên Greenwitch. WGS-84 ñöôïc söû duïng trong heä thoáng ñònh vò GPS. Vò trí veä tinh vaø maùy thu ñöôïc xaùc ñònh baèng 3 toaï ñoä (X, Y, Z) trong heä WGS-84. 40
41. 2.6.3.1 Heä toaï ñoä ñòa lyù quoác gia Heä toïa ñoä ñòa lyù quoác gia, hay coøn goïi heä toïa ñoä ñòa lyù ñòa phöông, bao goàm moät Ellipsoid tham chieáu ñòa phöông vaø moät heä toïa ñoä ñònh vò ñòa phöông. Phöông daây doïi chæ tröïc giao vôùi maët Geoid chöù khoâng phaûi laø maët Ellipsoid. Hình . Söï khaùc nhau giöõa geoid vaø ellipsoid. Vì vaäy hai phaùp tuyeán vôùi hai maët naøy taïi cuøng moät vò trí khoâng truøng nhau, ñoä leäch naøy ñöôïc goïi laø goùc leäch ñöùng. Hình chieáu caùc ñieåm trong khoâng gian seõ bò sai leäch, nhaèm giaûm ñeán möùc nhoû nhaát söï sai leäch naøy moãi quoác gia xaây döïng cho rieâng mình moät ellipsoid phi ñòa taâm phuø hôïp, ñöôïc choïn laøm maët tham chieáu quoác gia cuøng vôùi moät heä toïa ñoä ñònh vò. Hai baùn truïc a, b vaø vò trí cuûa ellipsoid ñöôïc choïn sao cho maët ellipsoid vaø geoid truøng nhau nhaát taïi khu vöïc cuûa quoác gia ñoù. 41
42. Hình . Ellipsoid tham chieáu quoác gia. Heä toïa ñoä ñònh vò quoác gia ñöôïc gaén vaøo ellipsoid quoác gia töông öùng ñeå ñònh vò caùc vò trí. Chuùng ñöôïc ñònh vò trong heä toïa ñoä toaøn caàu (WGS84) bôûi boä goàm 7 tham soá ( X, Y, Z, X, Y, Z, m). Caùc tham soá dòch chuyeån laø X, Y, Z; caùc tham soá goùc quay laø X, Y, Z; vaø tham soá tyû leä m. Hình . Vò trí cuûa heä toïa ñoä quoác gia. Caùc phöông trình chuyeån ñoåi heä thoáng duøng ñeå chuyeån ñoåi giöõa toïa ñoä quoác gia vaø quoác teá. 2.7 CAÙC THAM CHIEÁU THÔØI GIAN VAØ THÔØI GIAN GPS Baûo quaûn thôøi gian vaø xaây döïng lòch laø moät trong nhöõng lónh vöïc thieân vaên coå xöa nhaát. Cho tôùi maõi sau naøy, khoâng coù moät phöông phaùp giöõ thôøi gian höôùng veà phía traùi ñaát coù 42
43. theå cho pheùp xaùc ñònh thôøi gian chính xaùc nhö mong muoán baèng caùch quan traéc maët trôøi vaø caùc haønh tinh. Taát caû ñôn vò tính thôøi gian xuaát hieän moät caùch töï nhieân vôùi con ngöôøi ñöôïc sinh ra töø caùc hieän töôïng thieân vaên. Naêm ñöôïc sinh bôûi quyõ ñaïo cuûa traùi ñaát quay xung quanh maët trôøi vaø laøm xuaát hieän caùc muøa. Thaùng ñöôïc sinh bôûi söï di chuyeån cuûa maët traêng xung quanh traùi ñaát vaø söï thay ñoåi caùc tuaàn traêng. Ngaøy ñöôïc sinh bôûi chu kyø xoay cuûa traùi ñaát vaø söï noái tieáp cuûa saùng vaø toái. Tuy nhieân, neáu yeâu caàu ñoä chính xaùc cao thì vieäc ñònh nghóa ñôn vò thôøi gian xuaát hieän nhieàu vaán ñeà. Ñaàu tieân laø caùc trò nhaäp nhaèng phaùt sinh trong caùc ñònh nghóa chính xaùc cuûa caùc söï xoay voøng vaø söï quay. Moät vaán ñeà ñöôïc bieát caùch ñaây haøng ngaøn naêm laø tính khoâng so saùnh ñöôïc vôùi nhau cuûa naêm, thaùng vaø ngaøy. Moät naêm khoâng theå ñöôïc bieåu dieãn chính xaùc baèng moät soá nguyeân cuûa thaùng hoaëc ngaøy hoaëc moät thaùng khoâng theå chöùa moät soá nguyeân ngaøy. Ñeå giaûi quyeát vaán ñeà naøy, voâ soá heä chia thôøi gian vaø lòch ñöôïc phaùt minh. 2.7.1 Caùc heä chia thôøi gian 2.7.1.1 Heä giôø thieân vaên Heä giôø thieân vaên ñöôïc suy ra töø xöï xoay voøng cuûa traùi ñaát lieân quan ñeán khoaûng caùch caùc vì sao vaø vì vaäy coù theå ñöôïc xaùc ñònh baèng caùc quan traéc vaøo ban ñeâm töø caùc vì sao treân baàu trôøi. Moät ngaøy thieân vaên coù theå ñöôïc ñònh nghóa xaáp xæ vôùi khoaûng thôøi gian giöõa hai quaù trình troâi qua keá tieáp cuûa cuøng moät veä tinh qua kinh tuyeán goác. Trong ñoù kinh tuyeán goác cuûa moät traïm quan traéc laø moät voøng troøn lôùn ñi qua hai cöïc “celestial” vaø thieân ñænh cuûa traïm. Noùi moät caùch khaùc, kinh tuyeán goác laø moät pheùp chieáu cuûa moät voøng troøn kinh tuyeán ñòa lyù cuûa traïm vaøo maët caàu “celestial” neáu ñöôïc chieáu töø taâm traùi ñaát. Khoaûng thôøi gian cuûa moät ngaøy thieân vaên trong ñôn vò thôøi gian UTM laø 23h56m04.0905s. 2.7.1.2 Heä giôø maët trôøi Thôøi gian maët trôøi tính theo söï xoay bieåu kieán cuûa maët trôøi quanh traùi ñaát. Moät ngaøy maët trôøi laø khoaûng thôøi gian giöõa hai laàn ñi qua keá tieáp cuûa maët trôøi qua kinh tuyeán goác. Vaø dó nhieân söï chuyeån ñoäng bieåu kieán naøy cuõng chæ laø söï chuyeån ñoäng thöïc cuûa traùi ñaát. Tuy nhieân, do trong cuoäc haønh trình 1 ngaøy, traùi ñaát cuõng di chuyeån moät phaàn quyõ ñaïo ñaùng keå cuûa noù quanh maët trôøi neân moät chu trình quay hoaøn taát ñoái vôùi maët trôøi seõ daøi hôn moät chu trình quay hoaøn taát ñoái vôùi caùc ngoâi sao. Do vaäy moät ngaøy maët trôøi thöïc thì daøi hôn moät naøy thieân vaên 4 phuùt. 2.7.1.3 Heä giôø UT (Universal time) Heä giôø UT ñöôïc giôùi thieäu vaøo naêm 1926 ñeå thay theá heä giôø GMT (Greenwich Mean Time). Vaøo thôøi ñieåm aáy, nhieàu ñònh nghóa GMT ñöôïc söû duïng, thænh thoaûng coù nhöõng söï khaùc bieät nhau raát lôùn vì vaäy GMT khoâng coøn höõu ích vaø daàn ñöôïc thay theá baèng caùc ñònh nghóa UT chaët cheõ hôn. Ñoái vôùi caùc muïc ñích thöïc tieãn, UT töông ñöông vôùi heä giôø maët trôøi trung bình (Mean Solar time) vôùi kinh tuyeán goác tham chieáu taïi Greenwich. Moái quan heä giöõa UT vaø heä giôø maët trôøi trung bình ñòa phöông thì töông töï nhö giöõa giôø thieân vaên trung bình Greenwich vôùi giôø thieân vaên ñòa phöông. Tuy nhieân, veà cô baûn, UT khoâng phaûi laø heä giôø maët trôøi vôùi nghóa laø caùc vò trí cuûa maët trôøi quan traéc ñöôïc duøng ñeå ñònh nghóa heä thôøi gian naøy. Ñoä chính xaùc coù theå ñaït ñöôïc töø caùc trò ño cuûa heä maët trôøi thì khoâng ñaùp öùng 43
44. cho muïc ñích naøy. Ñeå thay theá, UT nhaän ñöôïc töø thôøi gian thieân vaên chính xaùc hôn baèng caùc phöông tieän ñöôïc suy töø nhöõng coâng thöùc toaùn hoïc. UTC (Coordinated universal Time) ñöôïc phaùt minh cho heä thoáng ño löôøng quoác teá vôùi ñôn vò thôøi gian laø gaây (SI-second) vaø ñöôïc thöïc hieän baèng caùc ñoàng hoà nguyeän töû. 2.7.1.4 Heä giôø nguyeân töû Giaây trong heä thoáng ño löôøng quoác teá (SI) ñöôïc ñònh nghóa laø khoaûng thôøi gian öùng vôùi 9192631770 chu kyø cuûa moät söï bieán ñoåi caáu truùc Hyperfine ñaëc thuø trong trong tình traïng treân maët ñaát cuûa Cesium-133. Ñònh nghóa naøy ñöôïc choïn ñeå coù theå phuø hôïp toát nhaát vôùi chieàu daøi cuûa moät giaây lòch thieân vaên ñöôïc söû duïng tröôùc ñaây. Giaây SI chæ ñònh nghóa moät caùc toùm taét heä giôø nguyeân töû. Ñeå naém ñöôïc heä chia thôøi gian (timescale) cuûa moät thieát bò coù theå söû duïng thöïc teá thì ñoøi hoûi phaûi nhaän thöùc ñöôïc giaây SI cuõng nhö ñoàng hoà nguyeân töû. Caùc ñoàng hoà nguyeân töû treân theá giôùi thöïc khoâng phuø hôïp hoaøn toaøn vôùi moãi nôi khaùc nhau. Do vaäy trò trung bình coù troïng soá cuûa nhieàu ñoàng hoà nguyeân töû (ñöôïc phaân phoái roäng khaép taïi caùc phoøng thí nghieäm treân theá giôùi) ñöôïc söû duïng ñeå ñònh nghóa Heä giôø nguyeân töû Atomic TAI ( Vieát taét theo töø tieáng phaùp Temps Atomique Internartional). TAI hieän thôøi laø heä giôø toát nhaát döïa ttheo ñôn vò giaây quoác teá vôùi ñoä chính xaùc töông ñoái 2*10-14. Theo lyù thuyeát töông ñoái toång quaùt, thôøi gian ño ñöôïc phuï thuoäc vaøo vò trí treân traùi ñaát (hoaëc noùi moät caùch chính xaùc laø vaøo ñoä cao) vaø vaän toác khoâng gian cuûa ñoàng hoà. Vì vaäy TAI kham khaûo tôùi moät vò trí treân möïc nöôùc bieån xoay vôùi traùi ñaát. 2.7.1.5 Soá ngaøy julieâng (Julian) Soá ngaøy Julian hay ñôn giaûn laø ngaøy julian laø soá ngaøy ñöôïc tính lieân tieáp, baét ñaàu vôùi ngaøy 0 vaøo ngaøy 1 thaùng 1 naêm 4713 BC ôû vaøo luùc 12 giôø tröa. Do vaäy moät ngaøy Julian môùi luoân baét ñaàu luùc 12 giôø tröa. 2.7.2 Giôø GPS Giôø GPS ñöôïc tính bôûi ñoàng hoà ña hôïp CC (composite clock) trong heä thoáng GPS. CC bao goàm taát caû caùc traïm ñieàu khieån vaø veä tinh hoaït ñoäng treân caùc taàn soá chuaån. Tröôùc ñaây, heä thoáng naøy tham chieáu ñeán moät traïm ñieàu khieån hoaït ñoäng treân caùc taàn soá chuaån vaø ñöôïc chuyeån töø traïm naøy sang traïm khaùc khi coù nhu caàu. Kyû nguyeân GPS (GPS Epoch) laø 0000UT (nöûa ñeâm) vaøo ngaøy 6-1-1980. Thôøi gian GPS khoâng ñöôïc hieäu chænh vaø do vaäy noù leäch vôùi UTC baèng moät soá nguyeân giaây do vieäc cheøn theâm caùc Leap second vaøo heä giôø UTC. Con soá naøy luoân laø moät haèng soá cho ñeán khi Leap second keá tieáp xuaát hieän. Ñoä leäch naøy ñöôïc cho trong thoâng ñieäp baûn lòch vaø maùy thu söû duïng ñeå hieäu chænh moät caùch töï ñoäng. Vaøo ngaøy 1-1-1999 thôøi gian GPS lôùn hôn thôøi gian UTC laø 13 giaây. Ngoaøi caùc Leap second, trong thoâng ñieäp baûn lòch coøn chöùa theâm caùc hieäu chænh khaùc. Heä thoáng giôø ñöôïc tham chieáu theo ñoàng hoà chuû MC (Master Clock) taïi USNO vaø höôùng theo UTC (USNO) nhaèm traùnh heä thoáng giôø khoâng leäch nhieàu hôn moät Micro giaây ñoái vôùi giôø UTC. Nhöõng sai khaùc chính xaùc naøy ñöôïc chöùa trong thoâng ñieäp baûn lòch ôû daïng hai haèng soá A0 vaø A1 ñeå tính caùc sai khaùc veà thôøi gian vaø toác ñoä heä thoáng giôø töông phaûn vôùi UTC (USNO, MC). Baûn thaân UTC (USNO) ñöôïc giöõ gaàn vôùi ñieåm chuaån quoác teá UTC 44
45. (BIPM). Söï tham chieáu tröïc tieáp tôùi UTC (USNO, MC) coù theå thöïc hieän töï ñoäng baèng caùc maùy thu ñònh thôøi. Caùc maùy thu naøy coù theå duøng hai haèng soá A0 vaø A1 töø thoâng ñieäp phaùt tín ñeå thöïc hieän pheùp ngoaïi suy tuyeán tính cho UTC (USNO, UT). Caùc haèng soá naøy ñöôïc caäp nhaät töø caùc thoâng tin taïi traïm ñieàu khieån USNO PPS. Caùc maùy thu SPS coù theå ñaït ñöôïc moät bieán ñoåi thôøi gian chính xaùc tôùi UTC (UNSO) vôùi khoaûng 340 nano giaây (95%) vaø caùc maùy thu PPS coù theå ñaït ñeán moät chuyeån ñoåi thôøi gian chính xaùc tôùi UTC trong khoaûng 200 nano giaây (95%). Quyeát ñònh thay ñoåi cheá ñoä hoaït ñoäng cuûa GPS ñeå taêng ñoä chính xaùc cuûa caùc maùy thu daân söï ñöôïc thöïc hieän bôûi NCA (National Command Authorities). 2.8 QUYÕ ÑAÏO VEÄ TINH GPS 2.8.1 Caùc ñònh luaät Kepler Quyõ ñaïo veä tinh ñöôïc xaây döïng döïa treân neàn taûng cuûa ba ñònh luaät cô baûn moâ taû veà quyõ ñaïo cuûa Kepler. Caùc ñònh luaät naøy thöôøng ñöôïc goïi laø ñònh Luaät Kepler 1, Kepler 2 vaø Kepler 3. 2.8.1.1 Ñònh luaät Kepler thöù nhaát Quyõ ñaïo cuûa haønh tinh quay quanh maët trôøi laø moät elip nhaän taâm maët trôøi laøm moät tieâu ñieåm. Maët trôøi Hình 21. Quyõ ñaïo veä tinh theo ñònh luaät Kepler thöù nhaát 2.8.1.2 Ñònh luaät Kepler thöù hai Moät ñöôøng thaúng noái giöõa haønh tinh vôùi maët trôøi queùt qua caùc vuøng dieän tích baèng nhau trong nhöõng khoaûng thôøi gian baèng nhau. 2.8.1.3 Ñònh luaät Kepler thöù ba Bình phöông cuûa nhöõng chu kyø caùc veä tinh tyû leä vôùi laäp phöông cuûa caùc baùn truïc lôùn cuûa chuùng. Ta2/ Tb2 = Ra3/ Rb3 2.8.2 Caùc quyõ ñaïo elip lyù töôûng Phöông trình toaùn hoïc moä taû chuyeån ñoäng cuûa veä tinh trôû neân ñôn giaûn raát nhieàu neáu tröôøng troïng löïc cuûa quaû ñaát phaân boá moät caùch ñoái xöùng, chæ coù moät haønh tinh traùi ñaát taùc duïng leân veä tinh, löïc caûn cuûa khí quyeån vaø aùp löïc cuûa caùc böùc xaï khoâng toàn taïi. Vôùi nhöõng giaû thieát naøy, quyõ ñaïo ñòa taâm cuûa veä tinh ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông trình vi phaân baäc hai theo thôøi gian, ñöôïc goïi laø phöông trình chuyeån ñoäng cho tröôøng hôïp hai vaät theå. 45
46. Trong ñoù GM laø tích cuûa haèng soá haáp daãn vaø khoái löôïng traùi ñaát, r laø ñoä daøi cuûa vector baùn kính höôùng taâm r cuûa veä tinh. Nghieäm cuûa phöông trình coù theå laø ellipse, parabola, hoaëc hyperbola. Trong tröôøng hôïp nghieäm laø ellipse, coù 6 thoâng soá moâ taû quyõ ñaïo naøy. Quyõ ñaïo elip lyù töôûng laø quyõ ñaïo ñöôïc moâ taû baèng 6 thaønh phaàn Kepler: a laø baùn truïc chính cuûa quyõ ñaïo, xaùc ñònh kích thöôùc cuûa quyõ ñaïo. e laø giaù trò ñoä leäch taâm cuûa quyõ ñaïo, bieåu dieãn hình daïng cuûa quyõ ñaïo. i laø ñoä nghieâng cuûa maët phaúng quyõ ñaïo so vôùi maët phaúng xích ñaïo.  laø goùc taïo bôûi truïc X vaø giao tuyeán giöõa maët phaúng quyõ ñaïo veä tinh vôùi maët phaúng xích ñaïo theo höôùng veä tinh di chuyeån töø nam baùn caàu sang baéc baùn caàu, ñöôïc goïi laø goùc ñieåm thaêng. i vaø  laø goùc ño Eulerian xaùc ñònh höôùng cuûa maët phaúng quyõ ñaïo trong heä xích ñaïo.  laø argument cuûa caän ñieåm (ñieåm gaàn traùi ñaát nhaát) – goùc giöõa ñieåm thaêng vaø caän ñieåm trong maët phaüng quyõ ñaïo theo höôùng chuyeån ñoäng cuûa veä tinh. u0 laø argument cuûa vó ñoä – goùc giöõa ñieåm thaêng vaø vò trí cuûa veä tinh taïi thôøi ñieåm khôûi ñaàu t0. 46
47. Hình . Saùu phaàn töû quyõ ñaïo veä tinh (a, e, i, , , u0). 2.8.3 Ñònh vò vaø quan traéc veä tinh 2.8.3.1 Ñònh vò veä tinh (Satellite Positioning) Ñònh vò veä tinh laø quaù trình xaùc ñònh vò trí cuûa veä tinh treân quyõ ñaïo cuûa noù. Neáu caùc thaønh phaàn cuûa quyõ ñaïo veä tinh ñöôïc bieát tröôùc thì ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc vò trí cuûa veä tinh treân quyõ ñaïo taïi moät thôøi ñieåm cuï theå. 2.8.3.2 Quan traéc veä tinh Quan traéc veä tinh laø quaù trình tham chieáu moät anten (ñöôïc ñaët treân maët ñaát) ñeán veä tinh vaø theo doõi vò trí cuûa ñieåm ñoù treân quyõ ñaïo. Töø döõ lieäu baûn lòch vaø vò trí (B, L, H) ngöôøi ta coù theå tính ra ñöôïc goùc cao doä (ñöôïc ño töø phöông ngang cuïc boä) vaø goùc phöông vò (ñöôïc ño theo chieàu ngöôïc kim ñoàng hoà vôùi phöông baéc) cuûa veä tinh lieân quan tôùi Anten. Vieäc bieát caùc goùc naøy cho pheùp theo doõi anten ñeå quan traéc veä tinh. Trong thöïc teá, caùc vò trí quan traéc vaø tính ñöôïc cuûa veä tinh ñöôïc so saùnh vaø caûi thieän khi bieát theâm caùc löïc taùc ñoäng leân veä tinh. Sai soá trong khoaûng töø 10 cm ñeán 1-2m. 47
48. Veä tinh Goùc phöông vò Goùc cao ñoä Phöông ngang Höôùng Baéc Hình 24. Goùc cao ñoä vaø phöông vò trong quan traéc veä tinh 2.8.4 Caùc thoâng soá treân quyõ ñaïo GPS Caùc veä tinh GPS di chuyeån treân caùc quyõ ñaïo ñöôïc ñieàu khieån caån thaän bôûi caùc traïm ñieàu khieån treân maët ñaát vaø ñöôïc moâ taû chính xaùc baèng caùc thoâng soá quyõ ñaïo. Nhöõng tham soá quyõ ñaïo Kepler moâ taû quyõ ñaïo cuøng caùc thoâng soá duøng ñeå hieäu chænh vaø xaùc ñònh vò trí veä tinh treân quyõ ñaïo ñöôïc caùc traïm ñieàu khieån xaùc ñònh vaø truyeàn ñeán maùy thu thoâng qua caùc veä tinh GPS, caùc tham soá naøy thöôøng ñöôïc goïi laø boä tham soá quyõ ñaïo veä tinh (16 tham soá). Baûng sau lieät keâ caùc tham soá moâ taû quyõ ñaïo treân baûn lòch. Caùc tham soá naøy cho pheùp xaùc ñònh chính xaùc vò trí cuûa veä tinh töông öùng treân quyõ ñaïo taïi moät thôøi ñieåm xaùc ñònh. Maùy thu duøng boä tham soá naøy ñeå xaùc ñònh toaï ñoä cuûa veä tinh taïi thôøi ñieåm quan traéc. Löu yù raèng caùc tham soá quyõ ñaïo phaùt theo thôøi gian thöïc treân maùy thu chæ laø caùc tham soá döï ñoaùn. M0 Khoaûng caùch trung bình ñeán caän ñieåm taïi thôøi ñieåm tham chieáu n Ñoä leäch trung bình töø caùc ñoä dòch chuyeån tính ñöôïc E Ñoä leäch taâm (Eccentricity) A Caên baäc hai cuûa baùn truïc chính 0 Kinh ñoä nuùt thaêng cuûa maët phaúng quyõ ñaïo taïi moãi chu kyø haèng tuaàn. i0 Goùc nghieâng taïi thôøi ñieåm tham chieáu.  Argument cuûa ñieåm gaàn traùi ñaát  Toác ñoä thay ñoåi cuûa goùc thaêng phaûi. 48
49. Idot Toác ñoä thay ñoåi cuûa goùc nghieâng Cuc Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø Cos cho argument cuûa vó ñoä Cus Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø Sin cho argument cuûa vó ñoä Crc Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø cos vaøo baùn kính quyõ ñaïo. Crs Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø sin vaøo baùn kính quyõ ñaïo. Cic Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø cos vaøo goùc nghieâng. Cis Bieân ñoä cuûa soá hieäu chænh ñieàu hoaø sin vaøo goùc nghieâng. t oe Thôøi gian tham chieáu baûn lòch. Quyõ ñaïo veä tinh ñöôïc moâ taû thoâng qua 16 tham soá quyõ ñaïo. Cuc, Cus Crc, Crs Veä tinh Cic, Cis n Tham chieáu t0 Z Quyõ ñaïo (a,e) M 0 Caän ñieåm   Gast 0 i  i X Y Ñieåm thaêng Hình 26. 16 tham soá moâ taû quyõ ñaïo veä tinh. 49
50. CHÖÔNG 3 SAI SOÁ ÑO GPS 3.1 GIÔÙI THIEÄU CHUNG Heä thoáng GPS laø moät heä thoáng ñònh vò töông ñoái phöùc taïp ñöôïc caáu thaønh töø nhieàu thaønh phaàn vaø ñöôïc xaây döïng treân nhieàu cô sôû lyù thuyeát vaø thöïc nghieäm khaùc nhau. Sai soá heä thoáng ñöôïc caáu thaønh töø nghieàu nguoàn khaùc nhau. Nhìn chung, coù theå phaân chia caùc ñoä leäch (biases) aûnh höôûng ñeán caùc soá ño GPS laøm 3 loaïi: caùc ñoä leäch do veä tinh, caùc ñoä leäch do traïm ño vaø caùc ñoä leäch do phöông phaùp ño. Caùc ñoä leäch do veä tinh (satellite biases) bao goàm caùc ñoä leäch trong baûn lòch phaùt tín cuûa veä tinh do caùc thoâng soá moâ taû quyõ ñaïo veä tinh khoâng chính xaùc; caùc ñoä leäch trong nhöõng moâ hình ñoàng boä veä tinh ñöôïc cung caáp trong caùc thoâng ñieäp phaùt soùng (caùc ñoä leäch ñoàng hoà veä tinh, tín hieäu veä tinh phaùt soùng khoâng hoaøn toaøn ñoàng boä vôùi thôøi gian GPS). Caùc ñoä leäch naøy ñöôïc coi laø ñoäc laäp giöõa caùc veä tinh. Chuùng aûnh höôûng gioáng nhau ñoái vôùi caû caùc soá ño cuûa maõ vaø pha soùng mang. Ñoàng thôøi chuùng phuï thuoäc vaøo soá löôïng, vò trí caùc traïm theo doõi vaø cung caáp caùc soá lieäu xaùc ñònh quyõ ñaïo. Ngoaøi ra noù coøn phuï thuoäc vaøo löïc taùc duïng leân quyõ ñaïo vaø daïng hình hoïc veä tinh. Caùc ñoä leäch töø traïm ño (station biases) bao goàm caùc ñoä leäch ñoàng hoà maùy thu vaø caùc ñoä leäch do thieáu tính chaéc chaén trong toaï ñoä cuûa traïm ño (ñoái vôùi caùc öùng duïng phi ñònh vò GPS nhö chuyeån ñoäng theo thôøi gian vaø theo doõi theo quyõ ñaïo). Caùc ñoä leäch do phöông phaùp ño (observation dependent biases) bao goàm nhöõng ñoä leäch lieân quan ñeán vieäc phaùt tín hieäu vaø caùc ñoä leäch khaùc phuï thuoäc vaøo kieåu ño ví duï nhö nhöõng ñoä leäch töø vieäc xaùc ñònh trò nhaäp nhaèng trong caùc trò ño pha soùng mang. Thoâng qua vieäc xaây döïng vaø thieát laäp moâ hình caùc ñoä leäch, ngöôøi ta ñaõ loaïi boû hoaëc ít nhaát cuõng giaûm thieåu ñöôïc aûnh höôûng cuûa caùc ñoä leäch naøy. Caùc ñoä leäch ñöôïc giaû thieát laø coù quan heä haøm vôùi nhieàu ñoái soá nhö: thôøi gian, vò trí, nhieät ñoä. Ngoaøi caùc ñoä leäch töø heä thoáng treân, chuùng ta nhaän thaáy ñoä chính xaùc cuûa vò trí vaø thôøi gian thu nhaäp qua GPS coøn phuï thuoäc vaøo 2 nguoàn aûnh höôûng chính laø: caáu hình veä tinh ñöôïc söû duïng vaø caùc sai soá coøn laïi sau khi söû duïng caùc moâ hình hieäu chænh sai soá. Sai soá do caáu hình veä tinh tyû leä thuaän vôùi heä soá ñoä suy giaûm chính xaùc DOP (Dilution of Precision). Moãi sai soá cuûa moät nguoàn chaéc chaén seõ laøm phöùc taïp tính chaát quang phoå vaø giöõa moät vaøi sai soá trong caùc nguoàn sai soá naøy chaéc chaén seõ coù caùc ñaëc tính töông quan vôùi nhau. Tuy nhieân, trong thôøi ñieåm naøy cuûa heä GPS, caùc moâ hình sai soá chæ giôùi haïn ôû phöông phaùp döï ñoaùn moät caùch ñôn giaûn caùc ñoä leäch chuaån tieâu bieåu cuûa caùc sai soá cöï ly töông ñöông khoâng töông quan cuûa moãi nguoàn sai soá. 51
51. Sai soá quyõ ñaïo veä tinh Sai soá ñoàng hoà veä tinh Treã taàng Ion Treã taàng ñoái löu Hieäu öùng ña ñöôøng truyeàn Nhieãu maùy thu Hình 27. Minh hoaï caùc nguoàn sai soá heä thoáng Taïi moät thôøi ñieåm (theo thôøi gian GPS tính bôûi maùy thu) vò trí veä tinh ñöôïc xaùc ñònh döïa treân caùc thoâng soá töø baûn lòch phaùt tín (baûn lòch naøy coù theå kham khaûo theo thôøi gian thöïc töø tín hieäu veä tinh maø maùy thu nhaän ñöôïc hoaëc töø caùc nguoàn khaùc) vaø khoaûng caùch töø moãi veä tinh tôùi ñieåm ñònh vò ñöôïc xaùc ñònh töø maõ giaû khoaûng caùch (Pseudorange code) trong tröôøng hôïp duøng phöông phaùp töông quan maõ hoaëc töø caùc trò ño theo pha soùng mang khi söû duïng phöông phaùp töông quan pha soùng mang (Phase carrier). Keát quaû ñònh vò cuûa heä thoáng phuï thuoäc vaøo caùc yeáu toá sau: caùc thoâng soá veà baûn lòch veä tinh, thôøi gian GPS vaø caùc trò ño khoaûng caùch giöõa maùy thu tôùi moãi veä tinh. Trong ñoù sai soá trong moãi thaønh phaàn naøy ñeàu aûnh höôûng ñeán keát quaû ñònh vò sau cuøng. Ñeå tieän lôïi trong quaù trình ñaùnh giaù vaø xaây döïng moät soá baøi toaùn moâ hình hoaù, ngöôøi ta thöôøng chia caùc sai soá GPS ra thaønh caùc nhoùm: Sai soá töø maûng ñieàu khieån; caùc sai soá trong moâi tröôøng lan truyeàn tín hieäu; caùc sai soá treân caùc trò ño; sai soá URE (User Range Error). Hình 19 minh hoaï caùc nguoàn sai soá trong heä thoáng ñònh vò GPS. Vieäc chieáu ñoä leäch leân phöông cuûa cöï ly seõ raát coù lôïi trong nhieàu öùng duïng. Khi ñoù toång cuûa nhöõng ñoä leäch sau khi chieáu naøy goïi laø ñoä leäch cöï ly (range bias) vaø khi chöa loaïi boû ñoä leäch, cöï ly ño ñöôïc goïi laø cöï ly coù leäch (biased range) hay khoaûng caùch giaû. 52
52. dp cdt dion dtrop cd T Hình 28. Caùc ñoä leäch trong pheùp ño cöï ly. Giaù trò cuûa caùc ñoä leäch cöï ly coù theå raát lôùn, tuøy thuoäc vaøo vieäc söû duïng phaàn cöùng vaø thoâng tin chi tieát ñeå ño cöï ly leäch ñoù. Töø nhöõng nghieân cöùu rieâng leû veà ñoä leäch cuûa cöï ly chuùng coù theå coù nhöõng giaù trò cöïc ñaïi sau ñaây: Ñoä leäch cuûa ñoàng hoà 10m khi söû duïng soá hieäu chænh ñaõ phaùt soùng veä tinh Ñoä leäch cuûa ñoàng hoà 10m ñeán 100m (phuï thuoäc vaøo chuûng loaïi boä maùy thu dao ñoäng cuûa maùy thu) Ñoä leäch cuûa quyõ ñaïo 80m ñoái vôùi caùc lòch thieân vaên phaùt soùng hieän haønh (seõ giaûm coøn 10m khi ñaët xong heä thoáng theo doõi) Ñoä leäch cuûa thôøi treã 150m treân phöông chaân trôøi (giaûm coøn 50m taàng ñieän ly treân phöông thieân ñænh) Ñoä leäch cuûa thôøi treã 20m treân phöông 100 phía treân chaân trôøi (giaûm taàng khí quyeån coøn 2 m treân phöông thieân ñænh) Ñoä leäch pha soùng Baát kyø mang 53
53. Ñoä leäch cuûa caùc cöï ly noùi chung raát khaùc nhau. Do vaäy, toång ñaïi soá cuûa chuùng chaéc chaén nhoû hôn toång caùc trò tuyeät ñoái töông öùng. Caùc ñoä leäch naøy gaây ra sai soá khaù lôùn trong keát quaû ñònh vò. Vì vaäy, trong thöïc teá, caùc ñoä leäch naøy ñöôïc loaïi boû baèng caùch laäp moâ hình ñoä leäch hoaëc baèng caùch laáy vi sai. Caùc phöông phaùp naøy ñöôïc thöïc hieän trong quaù trình quan traéc vaø xöû lyù soá lieäu GPS. 3.2 CAÙC SAI SOÁ TÖØ MAÛNG ÑIEÀU KHIEÅN 3.2.1 Sai soá quyõ ñaïo veä tinh Caùc veä tinh GPS bay ôû ñoä cao trung bình vaøo khoaûng 20200 km trong 6 maët phaúng quyõ ñaïo khaùc nhau vaø nghieâng vôùi maët phaúng xích ñaïo moät goùc vaøo khoaûng 550. Chuyeån ñoäng cuûa veä tinh xung quanh traùi ñaát tuaân theo caùc ñònh luaät cô hoïc coå ñieån vaø ñònh luaät vaïn vaät haáp daãn cuûa Newton. Chuyeån ñoäng naøy ñöôïc moâ taû bôûi 3 ñònh luaät chuyeån ñoäng cuûa Kepler vaø ñöôïc xaùc ñònh bôûi 16 thoâng soá quyõ ñaïo. Ngoaøi chòu löïc haáp daãn cuûa tröôøng troïng löïc traùi ñaát veä tinh GPS coøn chòu söï taùc ñoäng cuûa böùc xaï maët trôøi, löïc haáp daãn cuûa maët trôøi, maët traêng, vaø caùc thieân theå khaùc. Do veä tinh chòu nhieàu taùc ñoäng töø caùc löïc khaùc nhau trong haønh trình cuûa noù neân vieäc thieát laäp moâ hình ñoäng hoïc moâ taû chuyeån ñoäng cuûa veä tinh ñöôïc thöïc hieän raát phöùc taïp vaø khoù khaên.  Veä tinh chuyeån ñoäng trong khoâng gian khoâng ñôn thuaàn chæ chòu söï taùc ñoäng cuûa troïngN tröôøng traùi ñaát maø coøn chòu caùc taùc ñoäng nhieãu loaïn cuûa caùc thieân theå trong vuõ truï do ñoù vieäc laäp moâ hình chính xaùc laø ñieàu khoù coù theå. GMr r a r 3 perturbing Trong ñoù: GMr ( ) laø gia toác vôùi moâ hình khoái löôïng cuûa traùi ñaát ñöôïc xem nhö moät chaát ñieåm. r 3 aperturbing laø hôïp gia toác cuûa taát caû caùc löïc nhieãu loaïn. Vôùi coâng ngheä ôû vaøo naêm 1987 ngöôøi ta coù theå haïn cheá sai soá trung bình cuûa quyõ ñaïo veä tinh vaøo khoaûng 20 met caù bieät coù theå vaøo khoaûng 80 met. 3.2.1.1 Sai soá trong vieäc öôùc löôïng quyõ ñaïo veä tinh Vieäc xaùc ñònh sai soá lòch thieân vaên cuûa veä tinh laø vaán ñeà khoù khaên nhaát. Caùc sai soá do ñoàng hoà hoaøn toaøn ñöôïc caûi tieán hoaëc caùc aûnh höôûng ngoaøi yù muoán cuûa chuùng seõ ñöôïc haïn cheá hoaëc loaïi boû phaàn lôùn, ví duï, baèng caùch quan saùt veä tinh ñoàng thôøi töø 2 maùy thu trôû leân vaø söû duïng caùc soá ño hieäu soá. Tuy nhieân, ñeå giaûm thieåu ñöôïc caùc sai soá lòch thieân vaên ñoøi hoûi phaûi coù moät öôùc löôïng toát hôn veà quyõ ñaïo. Quaù trình chænh lyù lòch thieân vaên thöôøng gaëp khoù khaên trong vieäc thieáu kieán thöùc veà caùc löïc taùc ñoäng leân veä tinh vì khoâng theå ño tröïc tieáp vaø ñaày ñuû caùc löïc naøy töø caùc vò trí theo doõi treân maët ñaát. Hieän nay, neáu söû duïng caùc soá lieäu quyõ ñaïo do caùc lòch thieân vaên phaùt soùng cung caáp, vò trí cuûa caùc quyõ ñaïo coù theå tính toaùn vôùi ñoä chính xaùc tieâu bieåu vaøo khoaûng 20m, caù bieät coù 54