Giáo trình Viễn thám - Chương 1: Tổng quan về GPS

Nội dung text: Giáo trình Viễn thám - Chương 1: Tổng quan về GPS

1. TỔNG QUAN VỀ GPS NỘI DUNG  Giới thiệu về Trắc địa vệ tinh  Lịch sử trắc địa vệ tinh  Ưu và nhược điểm của trắc địa vệ tinh  Khái quát các hệ thống định vị toàn cầu và khu vực  Khái quát hệ thống GPS  Các thành phần của GPS  Tín hiệu và trị đo GPS  Các sai số ảnh hưởng đến trị đo GPS  Các phương pháp đo GPS
2. GIỚI THIỆU TRẮC ĐỊA VỆ TINH Trắc địa vệ tinh (Satellite geodesy) 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. Kể từ 1957, đã có khoảng 6.600 vệ tinh được phóng lên quỹ đạo và ước còn khoảng 3.600 vệ tinh đang còn trên quỹ đạo bay xung quanh Trái Đất, trong đó khoảng hơn 1.000 vệ tinh đang hoạt động. GIỚI THIỆU TRẮC ĐỊA VỆ TINH Các bài toán cơ bản trong trắc địa vệ tinh: Xác định chính xác vị trí 3 chiều trong phạm vi địa phương, vùng và toàn cầu (như thành lập mạng lưới khống chế trắc địa) Xác định trường trọng lực của trái 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)
3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA TĐVT 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 ngày 04-10-1957. Giai đoạn từ 1958 đến 1970: 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. Đồng thời, phóng thành công hai hệ thống định vị vệ tinh thế hệ mới là GPS của Mỹ và GLONASS của Liên Xô cũ. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA TĐVT Giai đoạn 1980-1990: 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. Giai đoạn 1990-2000: cung cấp các dịch vụ quốc gia và quốc tế có tính chất lâu dài, IERS để duy trì chuẩn thời gian toàn cầu, ICRF duy trì vị trí chính xác của Trái Đất và IGS cung cấp dữ liệu tọa độ GPS chính xác cao. Giai đoạn 2000 đến nay: trải qua hơn 40 năm hình thành và phát triển, lĩnh vực trắc địa vệ tinh bước vào giai đoạn hiện đại hóa, độ chính xác cả về không gian lẫn thời gian không ngừng được cải thiện.
4. SPUTNIK 1 Là một hình cầu bằng nhôm có đường kính 58cm, gắn 4 anten dài 2.4 đến 2.9 m. Trọng lượng 83.6kg bao gồm bên trong hình cầu là bộ phát tín hiệu chu kỳ 0.3 giây, bộ phận ghi nhận nhiệt độ bên trong và trên hình cầu. Bộ phát tín hiệu chỉ trong 3 tuần cho đến khi hết pin, nhưng đủ để KT hiệu ứng Doppler. Sputnik 1 hoạt động 92 ngày, đã hoàn tất 1400 vòng quanh trái đất với quãng đường ~ 70 triệu km. HỆ THỐNG TRANSIT VÀ TSIKADA . 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 1.000km  Có độ chính xác từ 50 – 100m
5. ƯU ĐIỂM CỦA TĐVT 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. NHƯỢC ĐIỂM TĐVT 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,
6. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . GLONASS  Do Liên Xô phát triển để thay thế Tsikada kể từ năm 1976  Được xây dựng hoàn chỉnh vào năm 1995  Sau khi Liên Xô sụp đổ, hệ thống không được duy trì (năm 2001 chỉ còn 6 vệ tinh trên quỹ đạo).  Phục hồi hoàn chỉnh kể từ 2009 (đủ 24 vệ tinh, phủ sóng toàn cầu).  Hiện luôn luôn duy trì 24 vệ tinh ở trạng thái vận hành (tính đến 2/2016, có tổng cộng 29 vệ tinh trên quỹ đạo CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . GLONASS  Cần có 18 vệ tinh để phủ trùm tín hiệu trên lãnh thổ nước Nga và 24 vệ tinh để phủ kín toàn cầu.  Ngày 14-15/2/2014, có 9 vệ tinh bị sự cố về kỹ thuật liên quan đến phần mềm  Ngày 19/2/2016, có 3 vệ tinh bị sự cố về kỹ thuật, trong đó có 1 vệ tinh pin phát nổ.  Kể từ 2012, GLONASS là hệ thống định vị toàn cầu thứ 2 được sử dụng phổ biến trên smartphone sau GPS.  Độ chính xác có thể đạt đến 2m khi dùng smartphone.
7. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . GPS  Được Bộ Quốc Phòng Mỹ phát triển dùng để thay thế TRANSIT  Dự án được khởi động từ 1973, đến 1993 thì có đủ 24 vệ tinh trên quỹ đạo và chính thức vận hành hoàn chỉnh từ 4/1995  Đến tháng 6/2016, đã có tổng cộng 32 vệ tinh trên quỹ đạo.  Hiện đang tiếp tục được hiện đại hóa CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . GPS
8. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . BEIDOU/COMPASS  Là hệ vệ tinh định vị của Trung Quốc  Đang trong quá trình hoàn thiện, gồm 03 giai đoạn: . Beidou-1: gồm 03 vệ tinh với vùng phủ và một số ứng dụng hạn chế trên lãnh thổ Trung Hoa và các nước lân can, khởi động từ năm 2000; . Beidou-2 (Compass): phát triển thành hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu với 35 vệ tinh đến năm 2020; . Beidou-3: khởi động từ giữa năm 2015, với mục tiêu hiện đại hóa các vệ tinh đã được phóng trước đó và hoàn chỉnh hệ thống định vị toàn câu. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG VẬN HÀNH . BEIDOU/COMPASS  Bắt đầu vận hành chính thức từ năm 2011 với 10 vệ tinh  Đến tháng 12/2012 đã phủ trùm khu vực Châu Á Thái Bình Dương.  Hiện nay (đến tháng 6/2016) đã có 21 vệ tinh trên quỹ đạo (vệ tinh mới nhất được phóng lên vào ngày 12/6/2016).
9. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG PHÁT TRIỂN . GALILEO  Được xây dựng và phát triển bởi các nước EU và ESA (cơ quan hàng không vũ trụ châu Âu).  Trụ sở đặt ở Praha (Cộng hòa Séc).  Mục tiêu chính là cung cấp các dịch vụ định vị chính xác cao cho các nước EU, độc lập với GPS của Mỹ và GLONASS của Nga. Đồng thời dịch vụ chính xác thấp, miễn phí được phổ biến rộng rãi cho mọi người. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG PHÁT TRIỂN . GALILEO  Vệ tinh đầu tiên được phóng lên quỹ đạo vào 12/2005  Theo kế hoạch ban đầu, đến năm 2010 sẽ hoàn chỉnh với 30 vệ tinh và bắt đầu vận hành vào năm 2014. Tuy nhiên, với tình hình kinh tế khó khăn, hệ thống này sẽ khó hoàn thành trước 2020.  Hiện nay (đến tháng 6/2016) có 12 vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo và 02 vệ tinh vừa phóng 5/2016
10. CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẦU (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM) CÁC HỆ THỐNG ĐANG PHÁT TRIỂN . DORIS  Là hệ thống của Pháp, do CNES phát triển và khai thác.  Gồm 2 chức năng: xác định quỹ đạo các vệ tinh và định vị vệ tinh.  Có độ chính xác định vị thấp hơn GPS. . IRNSS  Thuộc quyền sở hữu của Ấn Độ, là hệ thống phục vụ khu vực Ấn Độ Dương.  Độ chính xác 10m  Phóng vệ tinh đầu tiên vào 01/7/2013  Có tổng cộng 07 vệ tinh địa tĩnh (lần phóng cuối là 28/4/2016). . QZSS  Là hệ thống gồm 04 vệ tinh của Nhật Bản.  Nhiệm vụ chính là chuyển tiếp tín hiệu về thời gian và tăng cường độ chính xác cho các vệ tinh GPS trên lãnh thổ nước Nhật.  Vệ tinh đầu tiên được phóng vào 9/2010. BẢNG SO SÁNH TỔNG HỢP IRNSS GPS GLONASS Beidou/COMPASS Galileo (NAVIC) Sở hữu Mỹ Nga Trung Quốc EU Ấn Độ Mã tín CDMA FDMA/CDMA CDMA CDMA CDMA hiệu Độ cao 20.180 km 19.130 km 21.150 km 23.220 km 36.000 km bay Chu kỳ 11h 58m 11h 16m 12h 38m 14h 05m - Luôn có 24 05 ở quỹ đạo 12 vệ tinh, 29 Số vệ hoạt động. GEO, 22 vệ tinh sẽ 07 ở quỹ đạo (24 vận hành) tinh (32 trên quỹ 30 ở quỹ đạo MEO phóng trong tương GEO đạo) (hiện có 20) lai 1,164–1,215 GHz 1,57542 GHz khoảng 1,561098 GHz (B1) (E5a and E5b) (L1 signal) 1,602 GHz (SP) 1,589742 GHz (B1-2) 1,260–1,300 GHz Tần số 2-4 GHz 1,2276 GHz khoảng 1,20714 GHz (B2) (E6) (L2 signal) 1,246 GHz (SP) 1,26852 GHz (B3) 1,559–1,592 GHz (E2-L1-E11) Đang vận 22 vệ tinh đang 08 vệ tinh đang hành, vận hành hoạt động, 22 vệ Trạng Đang vận Chưa vận chuẩn bị 40 vệ tinh sẽ được tinh sẽ được bổ thái hành hành chuyển qua bổ sung giai đoạn sung giai đoạn CDMA 2016 - 2020 2016 - 2020
11. MỘT SỐ HÌNH ẢNH Vệ tinh TRANSIT Mô hình vệ tinh GLONASS-K MỘT SỐ HÌNH ẢNH Phóng vệ tinh GALILEO Vệ tinh GPS
12. GLONASS . Được vận hành bởi lực lượng Phòng không, không quân, Liên Bang Nga . Do Liên Xô xây dựng kể từ năm 1976, hoàn chỉnh vào năm 1995 nhằm thay thế Tsikada và đối trọng với Mỹ . Trong những năm 2000, dưới chính sách của Putin, GLONASS dần dần được phục hồi . Đến 2008 đã phủ toàn bộ lãnh thổ Nga, 2010 phủ toàn cầu với 24 vệ tinh. GPS LÀ GÌ? Tên đầy đủ: NAVigation Satellite with Time and Ranging Global Positioning System. Là một hệ thống dẫn đường bằng sóng radio dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ thống luôn luôn sẵn 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 (thử nghiệm) nhằm thay thế cho hệ thống TRANSIT đã hoạt động hơn 20 năm. GPS trước hết là một hệ thống dẫn đường phục vụ cho 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.
13. 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 so với mặt phẳng xích đạo . 6 mặt phẳng quĩ đạo . 4 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo h m . Chu kỳ là 11 58 . Độ cao 20200 km . Vệ tinh GPS thế hệ đầu tiên được phóng lên quỹ đạo vào ngày 22/2/1978 (hoạt động chính thức). Hiện nay có 32 vệ tinh
14. NHIỆM VỤ CỦA VỆ TINH GPS Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm: Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được 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 VỆ TINH GPS Block II Block IIR Block IIF . 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 (1989 – 1990) &IIA (1990 – 1997) 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 6 vệ tinh Block IIA) . Block IIR (1997 – 2004) nặng 2030kg để thay thế block II&IIA, 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 tho 12.5 năm, nặng 1545kg (7 vệ tinh) . Block III còn đang trong giai đoạn thiết kế, dự định phóng từ 2016
15. VỆ TINH GPS BLOCK IIR-M (16) PHÓNG VÀO 12-2006 Plane Slot PRN Type SC Launch date Input date Outage date Active life (months) Notes 1 9 II-A 26.06.93 20.07.93 226.8 2 31 IIR-M 25.09.06 13.10.06 69.2 A 3 8 II-A 06.11.97 18.12.97 174.2 4 7 IIR-M 15.03.08 24.03.08 51.8 6 27 II-A 09.09.92 30.09.92 232.9 1 16 II-R 29.01.03 18.02.03 112.8 2 25 II-F 28.05.10 27.08.10 22.8 B 3 28 II-R 16.07.00 17.08.00 143.1 4 12 IIR-M 17.11.06 13.12.06 67.1 5 30 II-A 30.08.93 28.09.93 193.5 1 29 IIR-M 20.12.07 02.01.08 54.5 2 3 II-A 28.03.96 09.04.96 194.0 C 3 19 II-R 20.03.04 05.04.04 99.4 4 17 IIR-M 26.09.05 13.11.05 79.0 6 6 II-A 10.03.94 28.03.94 219.0 1 2 II-R 06.11.04 22.11.04 91.8 2 1 II-F 16.07.11 14.10.11 9.2 D 3 21 II-R 31.03.03 12.04.03 111.2 4 4 II-A 26.10.93 22.11.93 223.9 5 11 II-R 07.10.99 03.01.00 150.6 1 20 II-R 11.05.00 01.06.00 145.4 2 22 II-R 21.12.03 12.01.04 102.2 3 5 IIR-M 17.08.09 27.08.09 34.8 E 4 18 II-R 30.01.01 15.02.01 137.0 5 32 II-A 26.11.90 10.12.90 210.8 6 10 II-A 16.07.96 15.08.96 190.2 1 14 II-R 10.11.00 10.12.00 139.3 2 15 IIR-M 17.10.07 31.10.07 56.7 F 3 13 II-R 23.07.97 31.01.98 173.5 4 23 II-R 23.06.04 09.07.04 96.3 5 26 II-A 07.07.92 23.07.92 239.2
16. CÁC TRẠM ĐIỀU KHIỂN GPS . 01 trạm điều khiển chính (Master Control Station – MCS) và 01 dự phòng đặt ở Colorado Springs, ở đó dữ liệu quan trắc được xử lý để tính 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). . 04 Anten mặt đất và 06 trạm theo dõi (Monitor control) bao gồm Hawaii, Kwajalein Atoll, Ascension Island, Diego Garcia, Colorado Srpings và Cape Canaveral, quan trắc chuyển động của vệ tinh GPS và truyền dữ liệu về trạm điều khiển chính. . Ngoài ra còn có 10 trạm thu nhận tín hiệu đặt rải rác trên toàn cầu. CÁC TRẠM ĐIỀU KHIỂN GPS
17. MẢNG NGƯỜI SỬ DỤNG Là các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng lẫn phần mềm: ªPhần 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 ªPhần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin trên để cung cấp tọa độ của máy thu MỘT SỐ KIỂU MÁY THU GPS LEICA SR20 GARMIN III PLUS TOPCON Legacy E
18. TÍN HIỆU GPS Mỗi vệ tinh GPS phát cùng một loại tín hiệu trên hai tần số của quang phổ điện từ: L1 ở 1575.42MHz và L2 ở 1227.60MHz. 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
19. TÍN HIỆU GPS SÓNG TẢI 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 f0 = 10.23MHz gọi là tần số cơ bản. Tần số f1 = 154xf0 = 1575.42MHz, bước sóng 1 19cm. Tần số f2 = 120xf0 = 1227.60MHz, bước sóng 2 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.
20. MÃ ĐO KHOẢNG CÁCH Mã đo khoảng cách gồm hai loại: Mã C/A là tên viết tắt của “clear/access” hay “coarse/acquisition” nghĩa là mã thô (độ chính xác thấp) nhưng miễn phí. Mã P viết tắt của “private” hay “precise” nghĩa là mã chính xác nhưng không miễn phí Mã C/A và P được xem như thước đo – chúng cung cấp phương tiện để máy thu GPS có thể đo khoảng cách một chiều từ máy thu đến vệ tinh. Cả hai loại mã đều có đặc tính nhiễu ngẫu nhiên (random noise), nhưng thực chất chúng được sinh ra bằng các thuật toán toán học. Do đó còn gọi là “nhiễu giả ngẫu nhiên” (pseudo-random noise – PRN) Các vệ tinh block IIR-M còn truyền thêm tín hiệu dân sự thứ hai L2C trên tần số L2 và tín hiệu quân sự M trên cả hai tần số L1 và L2 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) với những 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.
21. Trị đo khoảng cách từ mã PRN 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 t0, 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.
22. Trị đo khoảng cách từ mã PRN 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).
23. TRỊ ĐO KHOẢNG CÁCH TỪ SÓNG TẢI Giả thiết tương tự như trên nhưng so sánh hai dãy sóng sine phát ra từ vệ tinh và từ máy thu ta thấy chúng lệch pha nhau. Độ lệch pha này phản ảnh khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Pha của tín hiệu là một góc có giá trị giữa 0 và 360. Nếu giá trị này vượt quá 360 (tương ứng với 1 bước sóng nguyên) thì nó sẽ được quy về giới hạn trên. Muốn chuyển độ lệch pha thành khoảng cách, ta còn cần số nguyên lần bước sóng nằm giữa máy thu và vệ tinh. Ẩn số này được gọi là tham số đa trị, cần phải giải ra trong các phần mềm xử lý pha. Độ chính xác của 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,
24. THÔNG BÁO HÀNG HẢI THÔNG BÁO HÀNG HẢI
25. S Z Cận điểm u Y O  i  X  Điểm thăng Nguyên tắc định vị bằng vệ tinh Giả sử: Vector vị trí vệ tinh (r) đã biết Đo được vector khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh ( ) vector vị trí của máy thu (R) hoàn toàn xác định được.
26. 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 ( ). Để có đủ số trị đo nhằm giải ra toạ độ máy thu và sai số đồng hồ máy thu, ta cần quan sát đồng thời ít nhất 4 vệ tinh trở lên. ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI Phương trình trị đo giữa trạm đo i (i=1,2) và vệ tinh j sẽ là S2 S3 j j r R1 1 2 2 2 S1 1 j j r R 2 2 1 2 1 Dẫn đến 1 j j j j P1 R12 P2 r R1 r R 2 1 2
27. SELECTIVE AVAILABILITY (SA) SA bắt đầu tác dụng từ ngày 01-07-1991. Nó bao gồm hai thành phần Thành phần  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  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 vị chỉ tệ hơn khoảng 3 lần. Vào 5-2000, Tổng thống Clinton đã tuyên bố ngừng chính sách này. Ve tinh PRN31 ngay 1-2/5/2000 10 5 0 Toa do (m) -5 -10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.2 0.1 0 -0.1 Dong ho (microsec) -0.2 -0.3 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Thoi gian (gio)
28. ANTI-SPOOFING (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 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.
29. 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. 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 ( x, y, z hoặc B, L, H).  Nguyên tắc thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lương đo là pha sóng tải.
30. 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. 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.