TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ GPS

1. CẤU TRÚC CHUNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS)

Với mục đích đạo hàng và dẫn đường trên biển phục vụ cho mục đích quân sự, vào khoảng những năm 60 các nhà khoa học Mĩ và Liên Xô đã chạy đua nghiên cứu về vệ tinh nhân tạo và đã đạt được những thành tựu to lớn trong việc sử dụng vệ tinh của mình để xác định vị trí điểm trên bề mặt trái đất hoặc trên đại dương phục vụ cho việc dẫn đường cho tàu, thuyền và nhiều lĩnh vực khác.

Trong những năm đó, các nhà khoa học của Liên Xô đã phóng thành công hệ thống định vị toàn cầu mang tên Glonass (Global - Navigation - Satellite - System). Cùng với thời gian này, bộ quốc phòng Mỹ cũng đã xây dựng được một hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh mang tên: NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System). Hai hệ thống định vị và toàn cầu của Mỹ và Liên Xô đều có cấu trúc và nguyên lý hoạt động giống nhau bao gồm ba bộ phận cấu thành là: Đoạn không gian, đoạn điều khiển, đoạn sử dụng.   

1.1. Đoạn không gian

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc 55⁰. Vệ tinh GPS chuyển động trên mặt phẳng quỹ đạo gần như là tròn với chu kì 718 phút. Hệ thống gồm 24 vệ tinh ( Hình 2.1 ), mỗi quỹ đạo có 4 vệ tinh.          

Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo vệ tinh như vậy, ở bất kì vị trí quan trắc nào trên trái đất và trong bất kì thời gian nào cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS. Tất cả các vệ tinh đều có thiết bị dao động với tần số chuẩn cơ sở là f₀ =10.23 MHz. Tần số này còn gọi là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10^-12. Từ tần số cơ sở f₀ thiết bị sẽ tạo ra 2 tần sóng tải L1 và L2.

Bảng 2.1: Các thành phần tín hiệu vệ tinh

- Các sóng tải L1, L2 thuộc dải sóng cực ngắn và  được điều biến bởi hai loại code khác nhau là: C\A – code và P – code.

1.2. Đoạn điều khiển ( Control Segment )

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định vị toàn cầu này. Một trạm điều khiển trung tâm có nhiệm vụ chủ yếu trong giai đoạn điều khiển, cập nhật thông tin đạo hàng truyền từ vệ tinh, cùng phối hợp với trạm điều khiển trung tâm là hệ thống hoạt động kiểm tra bao gồm 4 trạm theo dõi phân bố quanh trái đất.

1.3. Đoạn sử dụng ( User Segment)

         Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay hoặc tàu thủy. Các máy thu này phân ra làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. 

2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS

2.1. Nguyên lí định vị GPS                              

Công tác định vị GPS được chia theo 2 nguyên tắc cơ bản là định vị tuyệt đối và định vị tương đối.

Định vị tuyệt đối là sử dụng một máy thu để xác định tọa độ điểm đặt máy trong hệ tọa độ WGS-84. Kỹ thuật “tựa khoảng cách”- định vị tuyệt đối:

Trong đó: s = [x^s y^s z^s]- tọa độ vệ tinh; p=[x_p y_p z_p]- tọa độ diểm mặt đất; C- vận tốc sóng; t- thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu; Dt- số hiệu chỉnh thời gian.

Định vị tương đối là sử dụng ít nhất 2 máy thu để xác định vị trí tương đối giữa các điểm đồng thời đặt máy thu. Định vị tương đối: xác định pha sóng mang L1, L2:

Trong đó: l - bước sóng (l=c/f); f - tần số sóng; N - số nguyên lần bước sóng; j - Pha của sóng; S – Khoảng cách vệ tinh máy thu.

2.2. Các phương pháp đo GPS

a. Phương pháp đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra tọa độ điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc trong không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H). Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS; tọa độ của vệ tinh cũng như các điểm quan sát cũng lấy theo hệ thống tọa độ này. Hệ tọa độ WGS-84 được lập gần giống với Ellipxid, WGS-84 có kích thước: a = 6378137.0m; và 1/ỏ = 298.2572

Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kĩ thuật “tựa khoảng cách”. Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức (2.3):

b. Phương pháp đo GPS tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm quan sát khác nhau xác định hệ tọa độ không gian(DX, DY, DZ) hay hiệu tọa độ trắc địa (DB, DL, DH) giữa các điểm đó trong hệ tọa độ WGS-84.

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha sóng tải. Để đạt độ chính xác cao và rất cao, cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm đang xét, người ta tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như: sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu…

2.3. Các loại sai số trong kết quả đo GPS

a. Sai số đồng hồ

Đây là sai số đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng. Đồng hồ trên vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhưng không phải là không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác của đồng hồ.

b. Sai số quỹ đạo vệ tinh

Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt theo định luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng sức hút mặt trăng, sức cản khí quyển…

Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mô hình chuyển động xây dựng trên cơ sở các số liêu quan sát trên các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số.

c. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Được phát đi từ vệ tinh có độ cao 20.200km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỷ lệ nghịch với tần số của tín hiệu.Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50 – 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền.

d. Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăngten máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này sinh ra được gọi là sai số do nhiễu tín hiệu vệ tinh. Để giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của máy thu và ăngten.

e. Các nguồn sai số khác

Gồm có: Sai số do ảnh hưởng tự xoay của trái đất, sai số do triều tịch của trái đât, sai số do hiệu ứng của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm ăngten của máy thu.

3. PHƯƠNG PHÁP LIÊN KẾT LƯỚI GPS

Khi thiết kế đồ hình lưới, căn cứ vào mục đích sử dụng, thông thường có 4 phương thức cơ bản thành lập lưới: liên kết điểm, liên kết cạnh, liên kết lưới, liên kết hỗ trợ cạnh điểm. Ngoài ra còn có liên kết hình sao, liên kết đường chuyền phù hợp, liên kết chuỗi tam giác. Lựa chọn phương thức nào là tùy thuộc độ chính xác yêu cầu của công trình, điều kiện bên ngoài thực địa và số lượng máy thu GPS.

Dưới đây là một số đồ hình liên kết ( hình 2.4) :

-------------------------------------
    * Trắc địa Hoàng Minh là công ty uy tín chuyên nhập khẩu và phân phối các loại máy thủy bình, máy toàn đạc điện tử, máy kinh vỹ điện tử, máy định vị GPS, máy cân bằng laser, máy đo khoảng cách laser... chính hãng.
    * Trắc địa Hoàng Minh tự hào là địa chỉ tin cậy của khách hàng!
    * Truy cập website tracdiahoangminh.com để tham khảo thêm nhiều dòng sản phẩm khác.