HỆ thống đỊnh vị toàn cầU (Global Positioning System-gps)



tải về 1.74 Mb.
trang5/15
Chuyển đổi dữ liệu28.05.2018
Kích1.74 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

Một số khái niệm liên quan:

III.1/ Hệ quy chiếu tọa độ:


Khái niệm tọa độ và định nghĩa của các hệ tọa độ là rất quan trọng trong công nghệ định vị và ngành khoa học đạo hàng. Vị trí của các điểm trong không gian được biểu diễn bằng tọa độ của chúng. Trong vũ trụ bao la, vị trí của một đối tượng chỉ có ý nghĩa về mặt toán học và không gian khi được gắn trên một hệ tọa độ nhất định. Vị trí của cùng một vật, nhưng được chiếu lên các hệ tọa độ khác nhau thì sẽ có giá trị khác nhau. Trong ngành khoa học đạo hàng, cơ sở dữ liệu thông tin chủ yếu là vị trí của các điểm và mối quan hệ không gian giữa chúng. Do vậy, việc biểu diễn vị trí của của các điểm lên cùng một hệ tọa độ là điều kiện cơ sở toán học đầu tiên không thể thiếu.

Ví dụ, trong hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu phải được xác định và việc này đòi hỏi vị trí của các vệ tinh và máy thu phải được quy chiếu trên cùng một hệ tọa độ.

Tương tự như vậy, mối quan hệ không gian giữa 2 điểm trên mặt đất chỉ có thể biểu diễn được bằng toán học khi vị trí của chúng được quy chiếu trên cùng một hệ tọa độ.

Các loại hệ tọa độ: (xem thêm bài giảng GIS và bản đồ)



  • Hệ tọa độ gắn với Trái đất (Conventional Terrestrial Reference System - CTRS) hay còn gọi là Earth – centered Earth – fixed)

  • Hệ tọa độ gắn với vũ trụ (Conventional Inertial Reference System – CIRS hay còn gọi là Earth – centred Space - fixed)

  • Hệ tọa độ địa phương (Local Coordinate System hay còn gọi là hệ tọa độ nằm ngang)

  • Ellipsoid, hệ tọa độ địa lý và Geoid.

III.2/ Hệ chuẩn thời gian:


Hệ thống định vị toàn cầu cần có một hệ chuẩn thời gian chính xác và ổn định làm cơ sở cho các phép đo. Khả năng có thể đồng bộ hóa về thời gian một cách chính xác cho các tín hiệu phát ra từ các vệ tinh chính là cơ sở hoạt động quan trọng nhất của các hệ thống định vị nhờ vệ tinh.

Phép đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu được xác định bàng cách nhân thời gian truyền tín hiệu với tốc độ truyền ánh sáng. Do vậy, sai số 1 nano – giây trong đồng bộ hóa thời gian sẽ gây ra sai số là 30cm trong phép đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu và kéo theo đó là sai số tương ứng trong phép ước lượng vị trí. Độ chính xác trong đồng bộ hóa thời gian trở nên đặc biệt quan trọng đối với kỹ thuật định vị có độ chính xác cao.


III.2.1/ Thời gian thiên văn:


Hệ thống thời gian thiên văn bao gồm hai đơn vị thời gian, ngày thiên văn và ngày mặt trời. Dựa vào chu kỳ hoạt động của các sao, ngày thiên văn là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp một sao cụ thể nào đó đi qua kinh tuyến tại nơi quan sát. Ngày Mặt trời dựa vào chu kỳ nhật động của mặt trời, là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời đi qua kinh tuyến tại nơi quan sát. Cần lưu ý rằng, các ngày mặt trời thực trong một năm dài không bằng nhau do Trái đất chuyển động quanh mặt trời với vận tốc không đều. Do vậy, khái niệm ngày mặt trời trung bình (mean solar day) đã được đưa ra. Ngày mặt trời trung bình có độ dài bằng bình quân của tất cả các ngày mặt trời thực trong một năm. Một cách tương đối, một ngày thiên văn ngắn hơn một ngày mặt trời trung bình khoảng 4 phút; do vậy, mỗi giờ mặt trời trung bình dài hơn giờ thiên văn 10s. Thời gian mặt trời trung bình quan sát được tại kinh độ đi qua Greenwich được gọi là GMT (Greenwich Mean Time).

III.2.2/ Thời gian nguyên tử:


Nhu cầu có được phương pháp tính toán và lưu trữ thời gian chính xác hơn đã thúc đẩy mạnh mẽ quá trinh nghiên cứu; khái niệm thời gian nguyên tử đã được xây dựng thành công và vẫn được dùng cho tới ngày nay.

Đơn vị thời gian cơ bản nhất là một giây SI (System of Units second). Một giây SI được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết của 9.192.631.770 chu kỳ phóng xạ, nó tương đương với quá trình chuyển đổi năng lượng của nguyên tử Cesium – 133 tại mức cơ sở. Một ngày SI gồm có 86.400 giây SI. Chuẩn thời gian dựa trên định nghĩa giây này được gọi là International Atomic Time (viết tắt là TAI). Tuy là một chuẩn thời gian chính xác và thống nhất toàn cầu, TAI không được chỉnh để bù trừ cho sai số gây ra do sự quay không đồng nhất của Trái đất của nó cũng như là sự quay quanh mặt trời của Trái đất. Coordinated Universal Time (Viết tắt là UTC) là TAI sau khi đã được chỉnh để bù trừ cho sai số nêu trên. UTC ngày nay là hệ chuẩn thời gian quốc tế và được lưu giữ tại 65 phòng lưu trữ trên toàn cầu.

Với chuẩn nguyên tử này, chúng ta có thể đo thời gian chính xác tới nano – giây (10-9 giây) và pico – giây (10-12 giây). Việc lưu giữ thời gian nguyên tử trong hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu giúp tăng độ chính xác trong định vị.

III.3/ Các phép đo tín hiệu vệ tinh:


Việc xác định vị trí của máy thu được thực hiện dựa trên khả năng xác định được chính xác khoảng cách hình học từ ít nhất 4 vệ tinh tới máy thu. Hệ thống GPS cung cấp cho người dùng hai loại phép đo để xác định khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu: phép đo mã và phép đo pha. Để xác định được vận tốc máy thu, sự biến đổi khoảng cách của vệ tinh tới máy thu cần được ước lượng dựa trên giá trị biến đổi Doppler. Giá trị đo này được gọi là giá trị đo Doppler.

III.3.1/ Phép đo mã (code measurements)


Một phép đo cơ bản nhất của tín hiệu vệ tinh GPS là đo thời gian truyền tín hiệu từ các vệ tinh tới máy thu. Đây chính là hiệu của thời gian tại máy thu khi thu nhận tín hiệu và thời gian tại vệ tinh khi bắt đầu truyền tín hiệu. Thời gian truyền tín hiệu cũng chính là thời gian cần thiết để dịch chuyển và trùng khít mã giả PRN (pseudo-range noise) do máy thu tự tạo và mã PRN đến từ vệ tinh. Do vậy, phép đo này còn được gọi là phép đo mã.

Tuy nhiên, quá trình xác định thời gian truyền tín hiệu chịu rất nhiều sai số. Đầu tiên là sai số do các đồng hồ của vệ tinh và của máy thu không đồng bộ với nhau và với hệ quy chiếu thời gian GPST. Chính vì vậy, giá trị khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu xác định được từ phép đo mã khác so với giá trị khoảng cách hình học thật giữa vệ tinh và máy thu, nó được gọi là khoảng cách giả.



Ngoài sai số gây ra do sự không đồng bộ về mặt thời gian, giá trị khoảng cách xác định còn chứa đựng nhiều sai số khác: sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ của vệ tinh, sai số đồng hồ của máy thu, sai số khi truyền tín hiệu qua tầng đối lưu, sai số khi truyền tín hiệu qua tầng điện ly và tổng sai số do đa đường truyền và nhiễu tại máy thu.

III.3.2/ Phép đo pha của sóng mang (carrier phase measurements)


Phép đo pha của tín hiệu thu nhận được từ vệ tinh ít chịu sai số hơn rất nhiều so với phép đo mã. Giá trị đo pha của tín hiệu thực chất là hiệu số pha tại một thời điểm đo nhất định của tín hiệu tự phát từ máy thu và tín hiệu đến từ vệ tinh trên cùng một tần số. Tuy nhiên, phép đo pha là một phép đo gián tiếp và không rõ ràng của thời gian truyền tín hiệu, hay của khoảng cách từ vệ tinh và máy thu. Trong trường hợp lý tưởng, không có bất kỳ một sai số nào và không có sự chuyển động tương đối giữa vệ tinh và máy thu, pha của tín hiệu là một giá trị phân số không đổi. Trong trường hợp vệ tinh và máy thu chuyển động tương đối so với nhau, giá trị phân số này sẽ thay đổi tương ứng và máy thu sẽ có nhiệm vụ xác định pha ban đầu của tín hiệu và sự thay đổi pha này.

III.3.3/ Phép đo Doppler (Dopler measurement)


Chuyển động tương đối của vệ tinh và máy thu tạo nên những biến đổi tần số của tín hiệu vệ tinh thu nhận được. Phép đo Dopler đo sự biến đổi pha của tín hiệu vệ tinh tại một thời điểm nhất định. Độ dịch chuyển Doppler (Doppler Shift), tương đương với tốc độ biến đổi của khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (range rate), gây ra do chuyển động tương đối giữa vệ tinh và máy thu chính là hình chiếu của vector vận tốc tương đối giữa vệ tinh và máy thu theo phương truyền tín hiệu. Do vậy, vận tốc chuyển động của máy thu so với vệ tinh có thể xác định được bằng các phép đo Doppler.

III.3.4/ Sai phân các phép đo trong kỹ thuật DGPS


Kỹ thuật DGPS (Differential GPS) hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy sai phân (lấy hiệu) các giá trị đo mã hoặc đo pha, với giả thiết các phép đo tín hiệu GPS chịu chung một số sai số trên một vùng không gian nhất định, nhằm giảm hoặc loại bỏ phần lớn ảnh hưởng của những sai số giống nhau này lên việc ước lượng vị trí, vận tốc và thời gian của máy thu. Các phép đo thu nhận được giữa các máy thu, giữa các vệ tinh và giữa 2 thời điểm có thể được lấy sai phân với nhau. Ảnh hưởng của sai số gây ra do quỹ đạo vệ tinh, sai số đồng hồ vệ tinh, sai số gây ra do tầng đối lưu và tầng điện ly có thể được giảm đi một cách đáng kể nhờ kỹ thuật DGPS giữa hai máy thu. Ảnh hưởng của các sai số máy thu như đồng hồ máy thu, hoặc nhiễu có thể được loại bỏ khi dùng kỹ thuật DGPS giữa các vệ tinh.
  1. Cơ cấu hệ thống GPS:


Hệ thống GPS được chia thành 3 thành phần chính: Phần không gian (Space Segment) – Các vệ tinh, phần điều khiển (Control Segment) – Trạm thu tại mặt đất và phần người sử dụng (User Segment) – Con người và các thiết bị thu GPS.

Bộ Quốc phòng Mỹ phụ trách việc sản xuất và phóng các vệ tinh cũng như việc quản lý các trạm điều khiển vệ tinh ở mặt đất. Phần người sử dụng bao gồm nhiều thành phần, có nhiệm vụ quản lý và phát triển các ứng dụng GPS, bao gồm cả việc xây dựng các thiết bị sử dụng hệ thống như anten và máy thu.

Đối với các máy thu dân dụng phổ biến, hệ thống GPS cung cấp hai loại dịch vụ cơ bản (cho vị trí, tốc độ và thời gian của máy thu hiển thị ngay trên màn hình):

- Loại dịch vụ định vị cơ bản (Standard Positioning Service - SPS)

- Loại dịch vụ định vị “chính xác” (Precise Positioning Service - PPS).

Hai loại hình dịch vụ SPS và PPS được Bộ Quốc phòng Mỹ chỉ định tương ứng dùng cho ứng dụng dân sự không có đăng ký và có đăng ký. Tuy được gọi là “chính xác”, nhưng dịch vụ PPS chỉ khác so với dịch vụ SPS là nó không bị đưa thêm sai số SA vào. Theo thiết kế, dịch vụ SPS sẽ cung cấp độ chính xác tối thiểu là 100m cho chiều ngang và 156m cho chiều cao. Sau khi SA được khóa vào năm 2000, dịch vụ SPS cung cấp độ chính xác tương đương với dịch vụ PPS, cho độ chính xác 10m (95%) cho chiều ngang và khoảng 15m cho chiều cao. Kết quả tính toán tại máy thu GPS theo thống kê đạt được độ chính xác trong khoảng 200 nano-giây so với giá trị thực của UTC (UNSO) đối với dịch vụ PPS và trong khoảng 340 nano-giây (95%) đối với dịch vụ SPS khi còn SA.



Ngoài hai loại dịch vụ này, các máy thu chất lượng cao dùng phép đo pha có độ chính xác cao để tính toán các khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và xử lý chúng bằng các thuật toán cao cấp. Kết quả định vị với các loại máy thu này thường có độ chính xác tới vài centimet.

Hình III.7: Các thành phần của hệ thống GPS


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15


Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2016
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương