Tin tức

Xác định toạ độ diểm khống chế bằng công nghệ định vị toàn cầu GPS

0

Hệ thống dịnh vị toàn cầu GPS là gì

Xác định toạ độ diểm khống chế bằng công nghệ định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được Bộ Quốc phòng Mỹ nghiên cứu thiết lập trong những năm 1970 nhằm phục vụ cho mục đích quân sự, mãi tới những năm đầu của thập kỷ 80 hệ thống định vị này mới bắt đầu được phép khai thác sử dụng trong dân sự. Từ đó hệ thống định vị GPS đã được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau như trắc địa, viễn thám, quốc phòng, giao thông, hàng hải, hàng không, du lịch, bảo vệ môi trường v.v…. Một ưu điểm nổi bật của GPS so với bất cứ phương tiện đo đạc nào là nó có thể làm việc cả ngày đêm trong mọi điều kiện thời tiết, mọi địa hình và đặc biệt là không cần tầm nhìn thông giữa các điểm trên mặt đất. Hệ thống của Mỹ viết tắt là NAVSTAR (Navigation System with Time And Ranging) còn hệ thống của Nga là GLONASS (Global Navigation Satellite System)

Đoạn không gian của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệ thống GPS bao gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ) phân bố trên 6 mặt phẳng quỹ đạo (hệ GLONASS –trên 3 mặt phẳng) nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 550. Bán kính quỹ đạo các vệ tinh xấp xỉ 26600 km, tức là vệ tinh bay cách mặt đất cỡ 20180km. Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút. Tuổi thọ của vệ tinh GPS khoảng từ 5 năm đến 10 năm. Các vệ tinh GPS liên tục phát tín hiệu 24 giờ trong ngày và được sắp xếp sao cho tại bất kỳ một thời điểm nào từ các điểm trên mặt đất cũng có thể quan sát được tối thiểu là 4 vệ tinh. Các tín hiệu được truyền đi nhờ tần số của các sóng tải L1 (1575,42MHz, bước sóng 19,05 cm ) và L2 (1227,60MHzm bước sóng 24,45 cm). Thời gian truyền tín hiệu đến máy thu khoảng 0,07 giây. Máy thu 1 tần số sẽ thu được các tín hiệu ở tần số L1, còn máy thu 2 tầng số thu được cả tín hiệu ở tần số L1 và L2. Các tín hiệu nhận được mang các thông tin đạo hàng như Ephemerit, tín hiệu nhiễu khoảng cách giả PRN-code, thời gian và tình trạng của hệ thống, thông tin về tầng ion (đối với máy 2 tần số ) v.v…
Với các thông tin trên chúng ta sẽ thực hiện bài toán định vị (tuyệt đối và tương đối) trong hệ WGS-84 theo hai loại trị đo là: Khoảng cách giả (Pseudoranges ) và pha sóng tải (carrier phases).


Đoạn điều khiển của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Đoạn này gồm trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt tại đảo Hawai (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (ấn Độ Dương) và Kwajaleinj (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất (hình 7.10). Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các trạm đều có máy thu GPS, tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liêu khí tượng. Tất cả các số liệu đo nhận được ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu rồi cho ra toạ độ của từng vệ tinh (ephermerit), độ lệch đồng hồ vệ tinh theo giờ GPS được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ. Từ trạm trung tâm các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. Như vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hoá và cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2. Việc chính xác hoá thông tin như thế được tiến hành 3 lần trong một ngày. Cần nói thêm là các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảm bảo độ chính xác định vị đến cỡ 10m, chưa kể chúng còn bị cố ý làm nhiễu đi bởi chế độ SA (Selective Avalability) để hạn chế độ chính xác này ở mức 100m. Chỉ khi thoả thuận với phía Mỹ, người sử dụng mới có được các số liệu đảm bảo độ chính xác cao.

Đoạn sử dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy thu GPS nhận các thông tin từ vệ tinh và các phần mềm xử lý, tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất (đo tĩnh) hay gắn trên các phương tiện chuyển động (đo động) như đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo…Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu. Tâm của anten là điểm thu tín hiệu và xác định toạ độ. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo, có độ chính xác cũng như giá thành khác nhau.
Các nguyên tắc và phương pháp đo GPS. Việc xác định vị trí bằng GPS được thực hiện trên nguyên tắc sử dụng hai dạng đại lượng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (A/C – code và P- code) và Quét bản đồ (L1 và L2).
Đo khoảng cách giả theo C/A – code và P-code. Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu được từ vệ tinh và code của chính máy thu có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, và từ đây dễ dàng tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (hình 7.11).
Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu, đồng thời do ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu, nên khoảng cách tính theo thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu. Người ta gọi nó là khoảng cách giả.
Nếu ký hiệu toạ độ của vệ tinh là Xs, Ys, Zs, toạ độ của điểm máy thu (tâm anten) là x, y, z, thời gian lan truyền tín hiệu là t, sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ sinh và trong máy thu là t, khoảng cách giả đo được là R. Khi đó ta có thể viết:
R=c(t+t) (xs x)2 (yý y)2 (zs z)2 c.t; (7.42) Trong đó: c là tốc độ lan truyền tín hiệu.

Trong đo GPS, có một số phương pháp thường dùng là đo GPS tuyệt đối; Đo GPS tương đối (gồm đo tĩnh – Static, đo tĩnh nhanh – Fast Static và đo động – Kinematic) và đo vi phân (DGPS).
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định toạ độ của điểm đo trong hệ toạ độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc trong hệ toạ độ mặt cầu (B, L, H). Hệ toạ độ WGS – 84 là hệ toạ độ cơ sở của GPS nhận ellipxoid có kích thước nư sau: a = 6378137 m; b = 6356752 m;  = 1 / 298,2572.
Việc xác định toạ độ điểm đo được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh. Từ công thức (7.42) ta có: (Xs- X)2 +(Ys- Y)2 + (Zs- Z)2= (Ri – c.t)2 (7.43)
Nếu biết chính xác khoảng cách Ri từ vệ tinh thứ i đến máy thu. Khi đó chỉ cần xác định khoảng cách đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu ta sẽ được 3 phương trình dạng (7.43) và giải hệ phương trình này sẽ tìm được toạ độ x, y, z của máy thu. Song, do có sai số không đồng bộ của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu t là chưa biết, nên phải coi nó là ẩn số thứ tư để tìm. Chính vì vậy mà ta cần phải có thêm một phương trình dạng (7.43), tức là phải quan sát thêm một vệ tinh thứ tư để xác định số hiệu chỉnh cho đồng hồ thạch anh của máy thu là t. Thu tín hiệu đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối cần thiết để xác định toạ độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy vậy, nếu máy thu được trang bị đồng hồ có độ chính xác cao thì khi đó chỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh.
Trong trường hợp biết trước độ cao z của máy thu (chẳng hạn như đo trên biển), khi đó chỉ còn phải xác định hai ẩn số là x, y của điểm quan sát, do vậy chỉ cần quan sát đồng thời 2 vệ tinh là đủ.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động như hiện nay, số lượng vệ tinh có thể quan sát đồng thời thường là 6 đến 8, hoặc có thể đến 10 vệ tinh. Khi đó cần áp dụng nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất để tính toán, xử lý số liệu đo.

Có thể bạn sẽ thích

Bình luận

Để lại bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.