Hệ thống định vị toàn cầu gps

5/5/2015 1 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS NỘI DUNG Giới thiệu Trắc địa vệ tinh Giới thiệu GPS Tín hiệu GPS Trị đo GPS Nguyên tắc định vị vệ tinh Chính sách SA và AS Các phương pháp đo GPS 5/5/2015 2 GIỚI THIỆU TRẮC ĐỊA VỆ TINH Trắc địa vệ tinh bao gồm các kỹ thuật đo đạc và tính toán để cho phép giải các bài toán trắc địa bằng cách dùng các trị đo chính xác từ vệ tinh nhân tạo, chủ yếu là các vệ tinh gần mặt đất. Các bài toán cơ bản là:  Xác định chính xác vị trí 3 chiều ở phạm vi địa phương, vùng và toàn cầu (như thành lập mạng lưới khống chế trắc địa)  Xác định trường trọng lực củatrái đất và các hàm tuyến tính của trường trọng lực (ví dụ một geoid chính xác)  Đo đạc và mô hình các hiện tượng địa động học (ví dụ: chuyển động cực, chuyển động quay của trái đất, biến dạng của lớp vỏ cứng trái đất) LỊCH SỬ TRẮC ĐỊA VỆ TINH  Lịch sử phát triển của trắc địa vệ tinh bắt đầu với việc phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất SPUTNIK-1 vào 4-10-1957.  Giai đoạn từ 1958 đến 1970 chủ yếu phát triển các phương pháp cơ bản cho việc quan trắc vệ tinh, cho việc tính toán và phân tích quĩ đạo vệ tinh. Những hệ thống vệ tinh định vị tiêu biểu được phóng trong giai đoạn này là TRANSIT (Mỹ, 1961), TSIKADA (Liên Xô cũ).  Giai đoạn 1970-1980 phát triển các đồ án khoa học, các kỹ thuật đo mới được phát triển và tinh lọc như hệ thống TRANSIT được sử dụng cho định vị Doppler. Đặt biệt ở giai đoạn này và việc phóng thành công hai hệ thống định vị vệ tinh thế hệ mới là GPS của Mỹ và GLONASS của Liên Xô cũ.  Giai đoạn 1980 đến nay là ứng dụng các kỹ thuật vệ tinh vào trắc địa. Các phương pháp vệ tinh ngày càng được cộng đồng trắc địa sử dụng rộng rãi thay cho các phương pháp truyền thống. 5/5/2015 3 ƯU ĐIỂM CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH  Các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay lục địa, trong khi phương pháp truyền thống chỉ khống chế ở khu vực nhỏ hẹp.  Không đòi hỏi tính thông hướng giữa các trạm đo như ở phương pháp truyền thống.  Có thể ứng dụng để định vị ở thời gian thực và vị trí bất kỳ: trên đất, trên biển và trong không gian cho đối tượng đứng yên hay di chuyển.  Có thể đo 24h/ngày trong mọi điều kiện thời tiết.  Độ chính xác định vị cao và đang ngày càng được cải thiện  Người sử dụng không cần quan tâm đến việc điều hành hệ thống. ƯU ĐIỂM CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH  Giá thành còn tương đối cao so với các thiết bị truyền thống.  Người đo phải có những kiến thức nhất định về GPS và những kiến thức này không được thừa hưởng từ những thiết bị định vị truyền thống.  Phạm vi sử dụng giới hạn ở những khu vực có độ phủ cao, công trình ngầm, 5/5/2015 4 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Các hệ thống cũ:  TRANSIT  Là hệ thống vệ tinh định vị đầu tiên được đưa vào vận hành  Hoạt động từ năm 1964 đến năm 1996  Điển hình có 4-6 vệ tinh ở độ cao 1.075 km  Hệ thống quân sự của Mỹ  TSIKADA  Của Liên xô cũ, tương đương với TRANSIT  Là hệ thống dân sự dùng trong định vị, dẫn đường  Vệ tinh đầu tiên được đưa lên quỹ đạo vào năm 1974, vận hành hoàn chỉnh vào 1978, hoạt động đến 1995  Bao gồm 4 vệ tinh bay ở quỹ đạo tầm thấp, khoảng 1.000 km  Có độ chính xác từ 50 – 100m CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Các hệ thống đang vận hành:  GLONASS  Do Liên Xô phát triển để thay thế Tsikada kể từ năm 1976  Hệ thống được xây dựng hoàn chỉnh vào năm 1995  Đến tháng 3/2014, đã có 29 vệ tinh vận hành, với phạm vi phủ sóng toàn cầu  GALILEO  Đang được xây dựng bởi khối Cộng đồng chung Châu Âu (EU)  Đến tháng 10/2011, chỉ mới 02 vệ tinh đang được thử nghiệm, có 2 vệ tinh nữa được phóng vào tháng 9/2012  Hệ thống hy vọng được xây dựng hoàn chỉnh vào 2019, bao gồm 30 vệ tinh 5/5/2015 5 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Các hệ thống đang vận hành:  COMPASS  Do Trung Quốc xây dựng và phát triển  Sẽ được nâng cấp từ hệ thống Beidou  Theo kế hoạch sẽ được xây dựng hoàn chỉnh vào năm 2020, bao gồm tổng cộng 35 vệ tinh (5 trên quỹ đạo địa tĩnh, 3 trên quỹ đạo địa tĩnh nghiêng và 27 trên quỹ đạo trung bình), đến tháng 3/2015 hệ thống đã phủ sóng toàn cầu.  GPS  Được Bộ Quốc Phòng Mỹ phát triển dùng để thay thế TRANSIT  Dự án được khởi động từ 1973 và xây dựng hoàn chỉnh vào năm 1994  Đến tháng 6/2014, đã có tổng cộng 31 vệ tinh trên quỹ đạo đủ để phủ sóng toàn cầu CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 5/5/2015 6 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Các hệ thống trong khu vực:  Beidou: - Là tiền thân của hệ thống Compass đang được xây dựng - Gồm Beidou-1, có 3 vệ tinh, được phát triển từ năm 2000 và Beidou- 2 (Compass) đang được nâng cấp với mục tiêu phủ kín khu vực châu Á -Thái Bình Dương vào năm 2012 và hoàn thiện vào năm 2020.  DORIS - Được vận hành bởi CNES, Pháp - Dùng để xác định chính xác quỹ đạo vệ tinh và định vị  IRNSS - Thuộc sở hữu của Ấn Độ - Đang được triển khai (với 7 vệ tinh địa tĩnh) với vùng phủ trùm khu vực Ấn Độ Dương với 2 mục đích: quân sự và dân sự  QZSS - Thuộc sở hữu của Nhật Bản - Vệ tinh đầu tiên được phóng vào năm 2010, dự kiến vận hành hoàn chỉnh vào năm 2013 với tổng cộng 3 vệ tinh CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Vệ tinh TRANSIT Mô hình Vệ tinh GLONASS-K 5/5/2015 7 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Vệ tinh GALILEO Vệ tinh GPS CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Mô hình vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh tầm trung của COMPASS Vệ tinh GPS 5/5/2015 8 GPS LÀ GÌ  Tên đầy đủ là NAVigation Satellite with Time and Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ thống luôn luôn sẳn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết.  GPS là kết quả phối hợp của hai đề án độc lập đã bắt đầu vào đầu những năm 1960: chương trình TIMATION của Hải quân Mỹ và đề án 621B của Không lực Mỹ. Vệ tinh GPS đầu tiên được phóng vào quĩ đạo vào năm 1973 nhằm thay thế cho hệ thống TRANSIT đã hoạt động hơn 20 năm.  GPS trước hết là một hệ thống hàng hải quân sự, được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ Quốc Phòng Mỹ. GPS sẵn sàng cho sử dụng dân sự vào năm 1984.  Hiện nay GPS được sử dụng miễn phí cho cộng đồng dân sự nhưng ở một mức độ giới hạn. SỰ KIỆN 1984 5/5/2015 9 CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS Mảng không gian Mảng điều khiển Mảng người sử dụng HỆ THỐNG VỆ TINH GPS Theo thiết kế ban đầu:  Ở các quĩ đạo gần tròn  Góc nghiêng 55 độ  6 mặt phẳng quĩ đạo  4 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo  Độ cao 20200 km  Hiện nay có 31 vệ tinh 5/5/2015 10 NHIỆM VỤ CỦA VỆ TINH GPS Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:  Thu nhận và lưu trữ dữ liệuđược truyền từ mảng điều khiển  Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh  Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số CÁC THẾ HỆ VỆ TINH GPS  Block I nặng 770kg phóng từ 1978-1985 tuổi tho 4.5 năm, giá khoảng 20 triệu USD (hiện nay không còn trên quỹ đạo)  Block II&IIA nặng khoảng 1600-1800kg phóng từ 1989, tuổi thọ 7.5 năm, giá khoảng 50-40 triệu USD, được trang bị 2 đồng hồ nguyên tử Cesium (hiện nay còn 10 vệ tinh Block IIA)  Block IIR nặng 2030kg để thay thế block II&IIA từ 1997, tuổi thọ 10 năm, giá khoảng 25 triệu USD (có 12 vệ tinh trên quỹ đạo)  Block IIR-M được phóng từ 2005 – 2009 (có 7 vệ tinh trên quỹ đạo)  Block IIF phóng từ 2010, tuổi thọ 12.5 năm, nặng 1545kg (2 vệ tinh) Block III còn đang trong giai đoạn thiết kế, dự định phóng từ 2014 5/5/2015 11 VỆ TINH GPS BLOCK IIR-M(16) PHÓNG VÀO THÁNG 12-2006 5/5/2015 12 CÁC TRẠM ĐIỀU KHIỂN Tất cả 5 trạm đều là trạm theo dõi, quan trắc vệ tinh GPS và truyền dữ liệu này về trạm điều khiển chính (Master Control Station – MCS). Colorado Springs là trạm điều khiển chính, ở đó dữ liệu quan trắc được xử lý đểtính toán bản lịch vệ tinh và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh (trạm này cũng khởi động mọi hoạt động của mảng không gian, như bảo quản đồng hồ vệ tinh). Ba trong số các trạm đo (Ascension ls., Diego Garcia, và Kwajalein) cũng là các trạm nạp, gởi dữ liệu đến các vệ tinh. Dữ liệu bao gồm bản lịch các vệ tinh và thông tin về số hiệu chỉnh đồng hồ mà chúng sẽ được truyền bên trong thông báo hàng hải CÁC TRẠM ĐIỀU KHIỂN 5/5/2015 13 MẢNG NGƯỜI SỬ DỤNG Là các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng lẫn phần mềm:  Phần cứng có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo  Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin trên để cung cấp tọa độ của máy thu MỘT SỐ KIỂU MÁY THU GPS TOPCON HIPER V 5/5/2015 14 TÍN HIỆU GPS  Mỗi vệ tinh GPS phát cùng một loại tín hiệu trên ba tần số của quang phổ điện từ: L1 ở 1575.42MHz và L2 ở 1227.60MHz, L5 ở 1176.45 MHz.  Ở giải tần sóng cực ngắn này, tín hiệu truyền đi rất tập trung theo hướng phát và do đó dễ bị khóa và phản xạ từ các vật rắn và mặt nước.  Tín hiệu dễ dàng xuyên qua các đám mây. Tín hiệu bao gồm 3 thành phần cơ bản:  Hai sóng tải L-band  Mã đo khoảng cách điều biến trên các sóng tải  Thông báo hàng hải TÍN HIỆU GPS 5/5/2015 15 SÓNG TẢI GPS Sóng tải cung cấp phương tiện “chuyên chở” các mã đo khoảng cách và thông báo hàng hải từ vệ tinh đến mặt đất. Tất cả các thành phần tín hiệu của vệ tinh đều sử dụng chung một đồng hồ nguyên tử ổn định rất cao (10-13/ngày) và được coi là “trái tim” của vệ tinh. Đồng hồ sinh ra một sóng sine ở tần số fo= 10.23MHz gọi là tần số cơ bản.  Tần số f1 = 154xf0 = 1575.42MHz, bước sóng λ1 = 19cm. Tần số f2 = 120xfo = 1227.60MHz, bước  Sóng λ2 = 24cm.  Để đưa thông tin lên sóng tải, người ta áp dụng kỹ thuật điều biến dịch hai pha. Trong GPS có hai loại mã được dùng để điều biến sóng tải: mã đo khoảng cách và thông báo hàng hải. TRỊ ĐO GPS  Tín hiệu phát ra từ anten GPS là tín hiệu phức tạp trộn lẫn trên hai tần số sóng tải là hai mã đo khoảng cách C/A, P và thông báo hàng hải.  Nhiệm vụ của máy thu là thực hiện một quá trình ngược (giải mã) vớinhững gì đã diễn ra ở vệ tinh (mã hóa). Tức là tách ra các thành phần từ tín hiệu phức hợp.  Trong phần này chúng ta chỉ xem xét những nguyên lý chung mà máy thu có thể cung cấp các trị đo khoảng cách dựa vào mã PRN và sóng tải. 5/5/2015 16 TRỊ ĐO GPS Giả sử: Vệ tinh và máy thu ở cùng chỗ? Đồng hồ của vệ tinh và đồng hồ của máy thu trên mặt đất được đồng bộ với nhau một cách chính xác và không có sai số.  Máy thu có khả năng phát dãy mã PRN như vệ tinh. Vào thời điểm tO, cả vệ tinh và máy thu cùng bắt đầu phát tín hiệu.  Ta sẽ có hai dãy mã hoàn toàn giống nhau về cấu trúc và pha. TRỊ ĐO GPS  Do khoảng cách thực tế giữa máy thu và vệ tinh xấp xỉ 20200km, khi tín hiệu vệ tinh đến máy thu phải mất khoảng thời gian xấp xỉ 7 milisec, làm cho hai dãy tín hiệu lệch pha nhau.  Độ lệch này phản ảnh khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Dựa vào cấu trúc tương tự giữa hai dãy mã người ta có thể đo được độ lệch và từ đó chuyển thành khoảng cách. Vì vậy điều then chốt ở đây là máy thu phải có khả năng tạo ra dãy mã giống như ở vệ tinh.  Trong thực tế do sai số của đồng hồ vệ tinh, sai số của đồng hồ máy thu và sai số do môi trường truyền sóng, khoảng cách đo được rất xa so với khoảng cách hình học vì vậy mà người ta còn gọi trị đo này là trị đo giả cự ly (pseudo-range). 5/5/2015 17 TRỊ ĐO GPS THÔNG BÁO HÀNG HẢI 5/5/2015 18 THÔNG BÁO HÀNG HẢI THÔNG BÁO HÀNG HẢI 5/5/2015 19 THÔNG BÁO HÀNG HẢI ĐỘ CHÍNH XÁC TRỊ ĐO GPS  Thông thường, các máy thu hiện nay có thể đo độ lệch chính xác đến 1% bước sóng. Do đó, trị đo C1 có độ chính xác 3m; P1 và P2 khoảng 0.3m và L1&L2 chỉ vài mm. Tuy nhiên trong trị đo khoảng cách (giả cự ly hay pha) không chỉ chứa sai số đo mà còn chứa nhiều sai số hệ thống khác: sai số đồng hồ(vệ tinh và máy thu), sai số do môi trường truyền tín hiệu, sai số đa đường, 5/5/2015 20 CHÍNH SÁCH SA SA bắt đầu tác dụng từ ngày 01-07-1991. Nó bao gồm hai thành phần Thành phần ε tác động vào thông tin quĩ đạo trong thông báo hàng hải sao cho toạ độ vệ tinh không thể tính toán một cách chính xác. Tuy nhiên không nhận thấy ảnh hưởng này trên dữ liệu thực.  Thành phần δ làm “run” tần số xuất của đồng hồ vệ tinh. Từ đó ảnh hưởng trực tiếp vào cả trị đo giả cự ly và trị đo pha. Sự tác động này làm cho đồng hồ vệ tinh tệ hơn từ 15-16 lần  Theo các tài liệu, tác động này làm độ chính xác định vị tuyệt đối sai đến 100m mặt bằng và khoảng 150-170m về độ cao. Tuy nhiên nghiên cứu của chúng tôi cho thấy độ chính xác định vịchỉ tệ hơn khoảng 3 lần.  Vào 5-2000, Tổng thống Clinton đã tuyên bố ngừng chính sách này. CHÍNH SÁCH AS  Dưới tác động của chính sách này, một mã W bí mật trộn vào mã P để tạo ra mã Y. Chỉ có những máy thu đặc biệt (quân sự) mới biết được cấu trúc của mã Y, do đó mới thu được đo giả cự ly trên mã này. Còn những máy thu thông thường chỉ thu được trị đo giả cự ly trên mã C/A (C1) và sóng tải L1, nghĩa là tương đương với máy thu một tần số.  Chính sách này bắt đầu từ ngày 31-01-1994 và vẫn còn tồn tại cho đến nay. Các công ty sản xuất máy thu đã đầu tư nhiều tiền của và thời gian để nghiên cứu các phương pháp giải mã trên tần số f2 mà không cần có kiến thức về cấu trúc mã Y. Cho đến hiện nay có thể nói là họ đã thành công nhưng điều này làm cho giá thành của máy thu trở nên rất đắt.  Sự có mặt của mã dân sự L2C sẽ khắc phục khó khăn này 5/5/2015 21 NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH Giả sử:  Vector vị trí vệ tinh đã biết  Đo được vector khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh  Vector vị trí của máy thu hoàn toàn xác định được. r  r    R  NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH  Tuy nhiên, thực tế ta không đo được vector khoảng cách mà chỉ đo được khoảng cách hình học ρ.  Để có đủ số trị đo nhằm giải ra tọa độ máy thu và sai số đồng hồ máy thu, ta cần quan sát đồng thời từ 4 vệ tinh trở lên.   5/5/2015 22 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 1. ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI: Nguyên lý đo:  Sử dụng máy thu để xác định ngay tọa độ WGS-84 (dạng X,Y,Z hoặc B,L,H).  Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm đã biết tọa độ là vệ tinh.  Tối thiểu phải có 3 vệ tinh đồng thời để xác định được vị trí của máy thu. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 1. ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI: - Đo vi phân:  Cần có 1 máy thu đồng bộ với máy phát được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (máy cố định), đồng thời có 1 máy thu khác đặt tại vị trí cần xác định tọa độ, có bộ phận thu tín hiệu (máy di động).  Tiến hành thu tín hiệu đồng thời từ vệ tinh và từ máy cố định truyền đến.  Tín hiệu vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ cả hai máy đều bị sai.  Chia ra: đo vi phân diện hẹp và đo vi phân diện rộng. 5/5/2015 23 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 2. ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI - Nguyên lý đo:  Sử dụng ít nhất 2 máy thu GPS đặt ở hai điểm khác nhau để xác định hiệu tọa độ giữa chúng trong hệ WGS-84 (Δx, Δy, Δz hoặc ΔB, ΔL, ΔH ).  Nguyên tắc thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha sóng tải. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 2. ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI - Đo tĩnh:  Có độ chính xác cao cỡ cm hoặc mm giữa hai điểm cách xa nhau hàng chục thậm chí hàng trăm km.  Thường ứng dụng lập lưới khống chế trắc địa.  Cần có hai máy thu đồng thời thu tín hiệu vệ tinh liên tục từ vài chục phút đến vài tiếng đồng hồ.  Nhược điểm: thời gian đo lâu, năng suất không cao.. 5/5/2015 24 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 2. ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI - Đo động:  Cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, tại mỗi điểm chỉ cần thu tín hiệu trong vòng vài giây đến vài phút.  Cần ít nhất 2 máy thu. Với cạnh đáy đã biết ta đặt 1 máy thu cố định ở điểm đầu và cho thu tín hiệu vệ tinh suốt trong chu kỳ đo (máy cố định). Ở điểm cuối đặt máy thu thứ hai, cho thu tín hiệu đồng thời với máy cố định trong vòng 1 phút (máy di động), tiếp tục di chuyển máy di động đến các điểm cần xác định, cuối cùng quay về điểm ban đầu để khép tuyến.  Máy cố định và máy di động phải thu tín hiệu liên tục từ ít nhất 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo.