Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o
Tr-êng §¹i häc Má - §Þa chÊt
-------------------------
Vò TiÕn Quang
C«ng nghÖ GPS ®éng vµ kh¶ n¨ng øng dông trong
c«ng t¸c ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín t¹i ViÖt Nam.
Chuyªn ngµnh : Tr¾c ®Þa
M· sè
: 2.16.00
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
ng-êi h-íng dÉn khoa häc:
TS. §Æng Nam Chinh
Hµ Néi – n¨m 2002
2
Lêi cam ®oan
T«i xin cam ®oan néi dung ®Ò tµi nµy lµ nh÷ng kÕt qña nghiªn cøu,
nh÷ng ý t-ëng khoa häc t«i tæng hîp tõ c«ng tr×nh nghiªn cøu, c¸c c«ng t¸c
thùc nghiÖm, c¸c c«ng tr×nh s¶n xuÊt do t«i trùc tiÕp tham gia thùc hiÖn.
3
môc Lôc
trang
Trang phô b×a
1
Lêi cam ®oan
2
Môc lôc
3
Danh môc c¸c b¶ng
3
Danh môc c¸c h×nh
5
më ®Çu:
6
Ch-ong 1. Lý thuyÕt chung vÒ c«ng nghÖ GPS
10
1.1 Vµi nÐt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn
10
1.2 CÊu tróc hÖ thèng GPS
11
1.3 CÊu tróc tÝn hiÖu GPS
16
1.4 C¸c trÞ ®o GPS
20
1.5 Nguyªn lý ®Þnh vÞ GPS
24
1.6 C¸c nguån sai sè trong ®o GPS
29
1.7 Nh÷ng kü thuËt ®o GPS
33
1.8 To¹ ®é vµ hÖ quy chiÕu
39
Ch-¬ng 2. Nguyªn lý ®o GPS ®éng
42
2.1 Nguyªn lý chung vÒ ®o GPS ®éng
42
2.2 ThiÕt bÞ ®o GPS ®éng
45
Ch-¬ng 3. nghiªn cøu ®é chÝnh x¸c ph-¬ng ph¸p ®o
GPS ®éng
49
3.1 §o kiÓm ®Þnh ph-¬ng ph¸p ®o GPS RTK
50
3.2 §o kiÓm ®Þnh ph-¬ng ph¸p ®o GPS PPK
55
Ch-¬ng 4. b¶n ®å tû lÖ lín
4.1 Nh÷ng kh¸i niÖm chung
64
64
4
4.2 Yªu cÇu kü thuËt cña b¶n ®å tû lÖ lín
65
4.3 Quy tr×nh thµnh lËp b¶n ®å tû lÖ lín
66
Ch-¬ng 5. Qui tr×nh ®o vµ xö lý sè liÖu ®o GPS ®éng
69
5.1 C«ng t¸c chÈn bÞ
69
5.2 ThiÕt lËp tr¹m ®o
70
5.3 Thñ tôc khëi ®o
73
5.4 §o ®¹c t¹i thùc ®Þa
74
5.5 Giao diÖn thiÕt bÞ ®o vµ phÇn mÒm trót sè liÖu
77
5.6 Xö lý sè liÖu ®o trªn c¸c phÇn mÒm chuyªn dông.
78
5.7 §o GPS RTK trªn khu ®o thö nghiÖm
81
Ch-¬ng 6. kh¶n¨ng øng dông ph-¬ng ph¸p ®o
GPS ®éng
85
kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ
89
danh môc c¸c c«ng tr×nh cña t¸c gi¶
90
tµi liÖu tham kh¶o
90
phô Lôc
5
danh môc c¸c b¶ng
B¶ng 1. 1 C¸c vÖ tinh cña hÖ thèng GPS.
B¶ng 1. 2 B¶ng thèng kª nguån lçi trong ®o GPS vµ biÖn ph¸p kh¾c phôc.
B¶ng 1. 3 B¶ng tæng hîp vÒ c¸c ph-¬ng ph¸p ®o GPS.
B¶ng 3. 1 KÕt qu¶ ®o GPS RTK t¹i b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y
4600LS th¸ng 9-1999.
B¶ng 3. 2 KÕt qu¶ ®o GPS RTK t¹i b·i chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y
4800 th¸ng 5-2000.
B¶ng 3. 3 Sai sè t¹i c¸c ®iÓm quy chuÈn khu ®o Hoµ L¹c.
B¶ng 3. 4 To¹ ®é vµ sai sè t¹i c¸c ®iÓm ®o kiÓm tra khu ®o Hoµ L¹c.
B¶ng 3. 5 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ kiÓm tra ph-¬ng ph¸p GPS PPK trªn b·i
chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4600LS th¸ng 5-2000.
B¶ng 3. 6 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ kiÓm tra ph-¬ng ph¸p GPS PPK trªn b·i
chuÈn Xu©n §Ønh sö dông m¸y 4800 th¸ng 5-2000.
B¶ng 3. 7 KÕt qu¶ ®o kiÓm tra trªn ®iÓm khèng chÕ 11607 - kho¶ng c¸ch
11,27km sö dông m¸y thu 4600 LS theo 2 ph-¬ng ¸n Fixed.
B¶ng 3. 8 KÕt qu¶ ®o kiÓm tra trªn ®iÓm khèng chÕ 10451 - kho¶ng c¸ch
10,26km sö dông m¸y thu 4800 theo 2 ph-¬ng ¸n Fixed.
B¶ng 4. 1 Sai sè vÒ to¹ ®é cho phÐp víi b¶n ®å ®Þa h×nh tû lÖ lín.
B¶ng 4. 2 Sai sè vÒ ®é cao víi b¶n ®å ®Þa h×nh tû lÖ lín.
danh môc c¸c h×nh vÏ
H×nh 1. 1 S¬ ®å quü ®¹o vÖ tinh hÖ thèng GPS.
H×nh 1. 2 VÖ tinh khèi II hÖ thèng GPS.
H×nh 1. 3 S¬ ®å §o¹n §iÒu KhiÓn cña hÖ thèng GPS.
H×nh 1. 4 S¬ ®å truyÒn tÝ hiÖu cña §o¹n §iÒu KhiÓn cña hÖ thèng GPS.
H×nh 1. 5 S¬ ®å c¬ chÕ x¸c ®Þnh thêi gian truyÒn tÝn hiÖu GPS.
H×nh 1. 6 TrÞ ®o pha vµ sè nguyªn ®a trÞ.
6
H×nh 1. 7 S¬ ®å nguyªn lý ®Þnh vÞ ®iÓm ®¬n.
H×nh 1. 8 S¬ ®å m« t¶ sai ph©n bËc mét.
H×nh 1. 9 S¬ ®å m« t¶ sai ph©n bËc hai.
H×nh 2. 1 M¸y thu 4800 vµ c¸c thiÕt bÞ ®o GPS RTK.
H×nh 2. 2 M¸y thu 4600LSvµ hÖ thèng Radio Link Trimtalk 900.
H×nh 2. 3 ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn TSC1 vr. 7.5.
H×nh 3. 1 S¬ ®å l-íi thö nghiÖm ®o GPS PPK.
H×nh 4. 1 S¬ ®å quy tr×nh ®o, xö lý sè liÖu ®o GPS RTK.
7
Më §ÇU
HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu GPS (Global Positioning System) lµ hÖ thèng
®Þnh vÞ, dÉn ®-êng sö dông c¸c vÖ tinh nh©n t¹o ®-îc Bé Quèc Phßng Mü
triÓn khai tõ nh÷ng n¨m ®Çu thËp kû 70. Ban ®Çu hÖ thèng nµy ®-îc dïng cho
môc ®Ých qu©n sù nh-ng sau ®ã ®· ®-îc th-¬ng m¹i ho¸, ®-îc øng dông rÊt
réng r·i trong c¸c ho¹t ®éng kinh tÕ, x· héi vµ ®Æc biÖt ®èi víi ngµnh tr¾c
®Þa b¶n ®å th× ®©y lµ cuéc c¸ch m¹ng thùc sù vÒ c¶ kü thuËt, chÊt l-îng còng
nh- hiÖu qu¶ kinh tÕ trªn ph¹m vi toµn thÕ giíi nãi chung vµ ë ViÖt Nam nãi
riªng.
Cïng víi thêi gian, c«ng nghÖ GPS ngµy cµng ph¸t triÓn hoµn thiÖn
theo chiÒu h-íng chÝnh x¸c, hiÖu qu¶ vµ thuËn tiÖn h¬n. Víi môc tiªu nghiªn
cøu mét nh¸nh ph¸t triÓn míi c«ng nghÖ GPS trong lÜnh vùc tr¾c ®Þa b¶n ®å,
t«i ®· ®Ò xuÊt vµ ®-îc phÐp tiÕn hµnh nghiªn cøu ®Ò tµi “C«ng nghÖ GPS
®éng vµ kh¶ n¨ng øng dông trong ®o c«ng t¸c vÏ b¶n ®å tû lÖ lín t¹i ViÖt
Nam”.
TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi
HÖ thèng ®Þnh vÞ GPS ®· ®-îc c«ng nhËn vµ sö dông réng r·i nh- mét
c«ng nghÖ tin cËy, hiÖu qu¶ trong tr¾c ®Þa b¶n ®å bëi c¸c tÝnh -u viÖt sau:
1. Cã thÓ x¸c ®Þnh to¹ ®é cña c¸c ®iÓm tõ ®iÓm gèc kh¸c mµ kh«ng
cÇn th«ng h-íng.
2. §é chÝnh x¸c ®o ®¹c Ýt phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn thêi tiÕt (cã thÓ ®o
trong mäi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt).
3. ViÖc ®o ®¹c to¹ ®é c¸c ®iÓm rÊt nhanh chãng, ®¹t chÝnh x¸c cao, ë vÞ trÝ
bÊt kú trªn tr¸i ®Êt.
4. KÕt qu¶ ®o ®¹c cã thÓ tÝnh trong hÖ to¹ ®é toµn cÇu hoÆc hÖ to¹ ®é ®Þa
ph-¬ng bÊt kú.
5. KÕt qu¶ ®o ë d¹ng file sè liÖu (digital file) nªn dÔ dµng nhËp vµo c¸c
phÇn mÒm ®o vÏ b¶n ®å hoÆc c¸c hÖ thèng c¬ së d÷ liÖu.
8
Víi nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt, ngay tõ nhòng n¨m ®Çu thËp kû 90 c«ng
nghÖ GPS nhanh chãng chiÕm lÜnh vÞ trÝ quan träng trong c«ng t¸c lËp l-íi
khèng chÕ tr¾c ®Þa ë ViÖt Nam sö dông kü thuËt ®o GPS tÜnh. Nh÷ng n¨m
gÇn ®©y, do tiÕn bé nhanh vÒ kü thuËt xö lý sè liÖu, c«ng nghÖ chÕ t¹o thiÕt bÞ
ngµy cµng hoµn thiÖn nªn kü thuËt ®o GPS ®éng ®· vµ ®ang ®-îc øng dông
réng r·i trªn toµn thÕ giíi do ph-¬ng ph¸p nµy nh÷ng -u ®iÓm ®Æc biÖt. ë
ViÖt Nam, trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y mét sè thiÕt bÞ ®o GPS ®éng ®· ®-îc
nhËp vµ thö nghiÖm ë mét sè c¬ quan nghiªn cøu. §Ó cã nh÷ng kÕt luËn khoa
häc vÒ ph-¬ng ph¸p ®o GPS ®éng th× viÖc nghiªn cøu øng dông trong ®o vÏ
b¶n ®å tû lÖ lín, ®Ò xuÊt quy tr×nh c«ng nghÖ lµ viÖc cÇn thiÕt ph¶i tiÕn hµnh
®Ó cã c¬ së triÓn khai øng dông mét c¸ch phæ biÕn ë ViÖt Nam.
§èi t-îng, ph¹m vi nghiªn cøu
Tõ nh÷ng nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng GPS, nh÷ng kü thuËt ®Þnh vÞ,
®Ò tµi nµy sÏ nghiªn cøu chi tiÕt c¸c kü thuËt ®o GPS ®éng sö dông c¸c thiÕt
bÞ ®o GPS ®éng míi ®-îc nhËp. KÕt qu¶ nghiªn cøu cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®-îc
vÒ ®é chÝnh x¸c ®¹t ®-îc cña tthiÕt bÞ trong ®iÒu kiÖn thùc tÕ cña ViÖt Nam,
so s¸nh víi c¸c c«ng nghÖ truyÒn thèng ®Ó rót ra nh÷ng kÕt luËn khoa häc, tõ
®ã ®Ò xuÊt quy tr×nh c«ng nghÖ ¸p dông kü thuËt ®o GPS ®éng cô thÓ cho
viÖc ¸p dông kü thuËt ®o GPS ®éng ë c¸c c¬ së s¶n xuÊt tr¾c ®Þa b¶n ®å.
ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn
Th«ng qua viÖc nghiªn cøu lý thuyÕt, c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm, c¸c
c«ng tr×nh s¶n xuÊt thùc tiÔn cña ®Ò tµi nµy, t¸c gi¶ mong muèn thÓ hiÖn c¸c
vÊn ®Ò sau:
1. C«ng nghÖ GPS lµ c«ng nghÖ míi, kh¸c biÖt, lµm thay ®æi h¼n quan
niÖm vÒ viÖc ®o ®¹c trong c«ng t¸c tr¾c ®Þa b¶n ®å.
2. §o GPS ®éng lµ b-íc ph¸t triÓn míi cña c«ng nghÖ GPS cho phÐp ®o
®¹c chi tiÕt bá qua c«ng ®o¹n lËp l-íi khèng chÕ c¬ së, cã ®é chÝnh x¸c ®¹t
9
yªu cÇu kü thuËt ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín, cã nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt so víi
ph-¬ng ph¸p ®o vÏ b¶n ®å truyÒn thèng.
3. §o GPS ®éng lµ ph-¬ng ph¸p ®o ®¹c khoa häc, ®¸p øng yªu cÇu cña
c«ng t¸c tù ®éng ho¸ ®o vÏ b¶n ®å, phï hîp víi viÖc tæ chøc, qu¶n lý sè liÖu
trong c¸c hÖ thèng qu¶n trÞ d÷ liÖu trong m¸y tÝnh.
4. §o GPS ®éng kÕt hîp víi c¸c ph-¬ng ph¸p ®o vÏ truyÒn thèng t¹o ®-îc
hiÖu qu¶ kinh tÕ cao trong ®o vÏ b¶n ®å tû lÖ lín ë ViÖt Nam.
Víi nh÷ng tÝnh n¨ng -u viÖt, kü thuËt ®o GPS ®éng lµ ph-¬ng ph¸p míi
¸p dông kh«ng chØ tèt trong ngµnh §Þa ChÝnh mµ cßn víi c¸c c¬ quan cã chøc
n¨ng kh¶o s¸t, ®o ®¹c kh¸c trong c¸c ngµnh Giao th«ng, Thuû lîi, X©y dông,
N«ng nghiÖp...
B¶n luËn v¨n nµy ®-îc hoµn thµnh d-íi sù h-íng dÉn khoa häc cña
tiÕn sÜ §Æng Nam Chinh khoa Tr¾c §Þa - tr-êng ®¹i häc Má - §Þa ChÊt, ®ång
thêi ®-îc sù hç trî tÝch cùc cña ViÖn Nghiªn Cøu §Þa ChÝnh vµ c¸c ®ång
nghiÖp trong viÖc tæ chøc triÓn khai nghiªn cøu. T«i xin ch©n thµnh c¶m tiÕn
sÜ §Æng Nam Chinh, tr-êng ®¹i häc Má - §Þa ChÊt, ViÖn Nghiªn Cøu §Þa
ChÝnh cïng c¸c ®ång nghiÖp vµ mong nhËn ®-îc nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp vÒ
®Ò tµi.
10
Ch-¬ng I: lý thuyÕt chung vÒ c«ng nghÖ gps
1.1 vµi nÐt vÒ LÞch sö ph¸t triÓn
Tõ nh÷ng n¨m 60 cña thÕ kû 20, C¬ quan Hµng Kh«ng vµ Vò Trô
(NASA) cïng víi Qu©n ®éi Hoa Kú ®· tiÕn hµnh ch-¬ng tr×nh nghiªn cøu,
ph¸t triÓn hÖ thèng dÉn ®-êng vµ ®Þnh vÞ chÝnh x¸c b»ng vÖ tinh nh©n t¹o. HÖ
thèng ®Þnh vÞ dÉn ®-êng b»ng vÖ tinh thÕ hÖ ®Çu tiªn lµ hÖ thèng TRANSIT.
HÖ thèng nµy cã 6 vÖ tinh, ho¹t ®éng theo nguyªn lý Doppler. HÖ TRANSIT
®-îc sö dông trong th-¬ng m¹i vµo n¨m 1967. Mét thêi gian ng¾n sau ®ã
TRANSIT b¾t ®Çu øng dông trong tr¾c ®Þa. ViÖc thiÕt lËp m¹ng l-íi ®iÓm ®Þnh
vÞ khèng chÕ toµn cÇu lµ nh÷ng øng dông sím nhÊt vµ gi¸ trÞ nhÊt cña hÖ
TRANSIT.
§Þnh vÞ b»ng hÖ TRANSIT cÇn thêi gian quan tr¾c rÊt l©u mµ ®é chÝnh
x¸c chØ ®¹t cì 1m. Do vËy trong tr¾c ®Þa hÖ TRANSIT chØ phï hîp víi c«ng
t¸c x©y dùng c¸c m¹ng l-íi khèng chÕ c¹nh dµi. Nã kh«ng tho¶ m·n ®-îc c¸c
øng dông ®o ®¹c th«ng dông nh- ®o ®¹c b¶n ®å, c¸c c«ng tr×nh d©n dông.
TiÕp sau thµnh c«ng cña hÖ TRANSIT. HÖ thèng ®Þnh vÞ vÖ tinh thÕ hÖ
thø hai ra ®êi cã tªn lµ NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And
Ranging - Global Positioning System) gäi t¾t lµ GPS . HÖ thèng nµy bao gåm
24 vÖ tinh ph¸t tÝn hiÖu, bay quanh tr¸i ®Êt theo nh÷ng quü ®¹o x¸c ®Þnh. §é
chÝnh x¸c ®Þnh vÞ b»ng hÖ thèng nµy ®-îc n©ng cao vÒ chÊt so víi hÖ
TRANSIT. Nh-îc ®iÓm vÒ thêi gian quan tr¾c ®· ®-îc kh¾c phôc.
Mét n¨m sau khi phãng vÖ tinh thö nghiÖm NTS-2 (Navigation
Technology Sattellite 2 ), giai ®o¹n thö nghiÖm vËn hµnh hÖ thèng GPS b¾t
®Çu víi viÖc phãng vÖ tinh GPS mÉu " Block I ". Tõ n¨m 1978 ÷ 1985 cã 11
vÖ tinh Block I ®· ®-îc phãng lªn quü ®¹o. HiÖn nay hÇu hÕt sè vÖ tinh thuéc
Block I ®· hÕt thêi h¹n sö dông. ViÖc phãng vÖ tinh thÕ hÖ thø II (BlockII)
11
b¾t ®Çu vµo n¨m 1989. Sau giai ®o¹n nµy 24 vÖ tinh nµy ®· triÓn khai trªn 6
quÜ ®¹o nghiªng 550 so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt víi chu kú gÇn 12 giê
ë ®é cao xÊp xØ 12.600 dÆm (20.200 km). Lo¹i vÖ tinh bæ sung thÕ hÖ III
(Block IIR) ®-îc thiÕt kÕ thay thÕ nh÷ng vÖ tinh Block II ®Çu tiªn b¾t ®Çu
phãng vµo n¨m 1995. Cho ®Õn nay ®· cã 27 vÖ tinh cña hÖ thèng GPS ®ang
ho¹t ®éng trªn ®¹o.
Cïng cã tÝnh n¨ng t-¬ng tù víi hÖ thèng GPS ®ang ho¹t ®éng cßn cã hÖ
thèng GLONASS cña Nga (nh-ng kh«ng th-¬ng m¹i ho¸ réng r·i) vµ mét hÖ
thèng t-¬ng lai sÏ c¹nh thÞ tr-êng víi hÖ thèng GPS lµ hÖ thèng GALIEO cña
Céng §ång Ch©u ¢u.
ë ViÖt Nam, ph-¬ng ph¸p ®Þnh vÞ vÖ tinh ®· ®-îc øng dông tõ nh÷ng
n¨m ®Çu thËp kû 90. Víi 5 m¸y thu vÖ tinh lo¹i 4000ST, 4000SST ban ®Çu
sau mét thêi gian ng¾n ®· lËp xong l-íi khèng chÕ ë nh÷ng vïng ®Æc biÖt khã
kh¨n mµ tõ tr-íc ®Õn nay ch-a cã l-íi khèng chÕ nh- T©y Nguyªn, Th-îng
Nguån S«ng BÐ, Cµ Mau. Nh÷ng n¨m sau ®ã c«ng nghÖ GPS ®É ®ãng vai trß
quyÕt ®Þnh trong viÖc ®o l-íi cÊp "0" lËp hÖ quy chiÕu Quèc gia míi còng
nh- viÖc lËp l-íi khèng chÕ h¹ng III phñ trïm l·nh thæ (gÇn 30000 ®iÓm) vµ
nhiÒu l-íi khèng chÕ cho c¸c c«ng tr×nh d©n dông kh¸c[4].
Nh÷ng øng dông sím nhÊt cña GPS trong tr¾c ®Þa b¶n ®å lµ trong c«ng
t¸c ®o l-íi khèng chÕ. HiÖn nay hÖ thèng GPS vÉn ®ang ph¸t triÓn ngµy cµng
hoµn thiÖn vÒ phÇn cøng (thiÕt bÞ ®o) vµ phÇn mÒm (ch-¬ng tr×nh xö lý sè
liÖu), ®-îc øng dông réng r·i vµo mäi d¹ng c«ng t¸c tr¾c ®Þa b¶n ®å, tr¾c ®Þa
c«ng tr×nh d©n dông vµ c¸c c«ng t¸c ®Þnh vÞ kh¸c theo chiÒu h-íng ngµy cµng
®¬n gi¶n, hiÖu qña.
1.2 CÊu tróc hÖ thèng GPS
GPS lµ mét hÖ thèng kü thuËt phøc t¹p, song theo sù ph©n bè kh«ng
12
gian ng-êi ta chia hÖ thèng GPS thµnh 3 phÇn gäi lµ §o¹n (Segment):
- §o¹n Kh«ng Gian (Space Segment),
- §o¹n ®iÒu khiÓn (Control Segment),
- §o¹n ng-êi sö dông (User Segment).
1.2.1 §o¹n kh«ng gian
§o¹n kh«ng gian bao gåm c¸c vÖ tinh nh©n t¹o ph¸t tÝn hiÖu bay trªn
c¸c quü ®¹o x¸c ®Þnh quanh tr¸i ®Êt. VÖ tinh ®-îc ®-a vµo bay trong 6 mÆt
ph¼ng quÜ ®¹o nghiªng 550 so víi mÆt ph¼ng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt, mçi mÆt ph¼ng
quÜ ®¹o cã 4 hoÆc 5 vÖ tinh (xem h×nh 1.1). QuÜ ®¹o vÖ tinh gÇn h×nh trßn, ë
®é cao 12.600 dÆm (20.200km), chu kú 718 phót. Mçi vÖ tinh cã trang bÞ tªn
löa ®Èy ®Ó ®iÒu chØnh quü ®¹o, thêi h¹n sö dông kho¶ng 7,5 n¨m. B¶ng 1.1
thèng kª nh÷ng vÖ tinh GPS ®· ®-îc phãng lªn quü ®¹o ®Õn th¸ng I/ 1997.
B¶ng 1.1: C¸c vÖ tinh cña hÖ thèng GPS
Block
Sè hiÖu vÖ tinh
Ngµy phãng vÖ tinh
Tr¹ng th¸i ho¹t ®éng
I
4
22/02/78
ChÕt ngµy 25/01/80
I
7
13/05/78
ChÕt ngµy 30/07/80
I
6
06/10/78
ChÕt ngµy 19/04/92
I
8
11/12/78
ChÕt ngµy 27/10/86
I
5
09/02/80
ChÕt ngµy 28/11/83
I
9
26/04/80
ChÕt ngµy 10/12/90
I
11
14/07/83
ChÕt ngµy 04/05/93
I
13
13/06/84
ChÕt ngµy 28/02/94
I
12
08/09/84
ChÕt ngµy 18/11/95
I
3
09/10/85
ChÕt ngµy 27/02/94
II
14
14/02/89
§ang ho¹t ®éng
II
2
10/06/89
§ang ho¹t ®éng
13
II
16
17/08/89
§ang ho¹t ®éng
II
19
21/10/89
§ang ho¹t ®éng
II
17
11/12/89
§ang ho¹t ®éng
II
18
24/01/90
§ang ho¹t ®éng
II
20
25/03/90
ChÕtngµy 10/05/96
II
21
02/08/90
§ang ho¹t ®éng
II
15
01/11/90
§ang ho¹t ®éng
IIA
23
26/11/90
§ang ho¹t ®éng
IIA
24
03/07/91
§ang ho¹t ®éng
IIA
25
23/02/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
28
10/04/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
26
07/07/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
27
09/09/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
1
22/11/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
29
18/12/92
§ang ho¹t ®éng
IIA
22
03/02/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
31
30/03/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
7
13/05/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
9
26/06/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
5
30/08/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
4
26/10/93
§ang ho¹t ®éng
IIA
6
10/03/94
§ang ho¹t ®éng
IIA
3
28/03/96
§ang ho¹t ®éng
IIA
10
15/08/96
§ang ho¹t ®éng
IIA
30
01/10/96
§ang ho¹t ®éng
14
H×nh 1.1: S¬ ®å quü ®¹o vÖ tinh hÖ thèng GPS
H×nh 1.2: VÖ tinh GPS khèi II
15
I.2.2 §o¹n ®iÒu khiÓn
§o¹n ®iÒu khiÓn lµ 5 tr¹m mÆt ®Êt ph©n bè ®Òu quanh tr¸i ®Êt trong ®ã
1 tr¹m chñ (Master Station) vµ 4 tr¹m theo dâi (Monitor Station). Tr¹m chñ
®Ætt¹i c¨n cø kh«ng qu©n Falcon ë Colorado Spring, bang Colorado, USA lµ
n¬i nhËn, xö lý tÝn hiÖu thu ®-îc tõ c¸c vÖ tinh t¹i 4 tr¹m theo dâi.
H×nh1.3: S¬ ®å §o¹n ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng GPS
Sau khi sè liÖu GPS ®-îc thu thËp, xö lý, to¹ ®é vµ ®é lÖch ®ång hå cña
tõng vÖ tinh ®-îc tÝnh to¸n vµ hiÖu chØnh t¹i tr¹m chñ tr¹m chñ vµ truyÒn tíi
c¸c vÖ tinh hµng ngµy qua c¸c tr¹m theo dâi (xem h×nh 1.4).
H×nh 1.4. S¬ ®å truyÒn tÝn hiÖu cña §o¹n ®iÒu khiÓn
16
1. 2. 3 §o¹n ng-êi sö dông
§o¹n ng-êi sö dông bao gåm c¸c m¸y thu tÝn hiÖu vÖ tinh vµ phÇn mÒm
sö lý tÝnh to¸n sè liÖu. M¸y thu tÝn hiÖu GPS cã thÓ ®Æt cè ®Þnh trªn mÆt ®Êt
hay g¾n trªn c¸c ph-¬ng tiÖn chuyÓn ®éng nh- ®i bé, ®i xe ®¹p, « t«, m¸y
bay, tµu biÓn, tªn löa, vÖ tinh nh©n t¹o...
TÝn hiÖu vÖ tinh ®-îc thu qua anten m¸y thu. CÊu t¹o anten ®¼ng h-íng
cu¶ m¸y thu GPS cã thÓ b¾t tÝn hiÖu GPS ë mäi h-íng. T©m pha cña anten lµ
®iÓm thu tÝn hiÖu vµ lµ ®iÓm x¸c ®Þnh to¹ ®é.
Tuú theo môc ®Ých cña c¸c øng dông mµ c¸c m¸y thu GPS cã thiÕt kÕ
cÊu t¹o kh¸c nhau cïng víi phÇn mÒm xö lý, vµ quy tr×nh thao t¸c thu thËp sè
liÖu ë thùc ®Þa.
1.3 CÊu tróc tÝn hiÖu GPS
Mét thµnh phÇn quan träng cña hÖ thèng GPS lµ tÝn hiÖu ph¸t tõ vÖ tinh
®Õn c¸c m¸y thu. ViÖc ph¸t vµ thu tÝn hiÖu lµ c¬ së cho viÖc ®o ®¹c víi hÖ
thèng GPS. VËy, tÝn hiÖu GPS cã cÊu tróc nh- thÕ nµo ?
TÝn hiÖu vÖ tinh lµ sãng ®iÖn tõ. Sãng ®iÖn tõ ®-îc dïng cho môc ®Ých
®o ®¹c cã nh÷ng th«ng sè ®Æc tr-ng, ®-îc nghiªn cøu, thö nghiÖm ®¶m b¶o
c¸c yªu cÇu nghiªm ngÆt vÒ ®é chÝnh x¸c, tÝnh æn ®Þnh vµ yªu yªu cÇu kü
thu©t kh¸c. VÒ mÆt vËt lý, tÝn hiÖu vÖ tinh cã c¸c th«ng sè c¬ b¶n ®ã lµ b-íc
sãng, tÇn sè vµ c¸c m· ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i.
1.3.1 TÇn sè c¬ b¶n
TÇn sè c¬ b¶n cña sãng truyÒn tÝn hiÖu vÖ tinh cña hÖ thèng GPS lµ
fo = 10.23 MHz.
17
1.3.2 C¸c th«ng tin ®iÒu biÕn
ViÖc sö dông tÝn hiÖu m· ho¸ cho phÐp c¸c vÖ tinh GPS cïng ho¹t ®éng
mµ kh«ng bÞ nhiÔu, mçi vÖ tinh ph¸t ®i mét m· gi¶ ngÉu nhiªn riªng biÖt.
M¸y thu GPS nhËn d¹ng ®-îc tÝn hiÖu cña tõng vÖ tinh trªn nÒn nhiÔu kh«ng
x¸c ®Þnh cña kh«ng gian bao quanh tr¹m ®o, ®iÒu ®ã cho phÐp tÝn hiÖu GPS
kh«ng ®ßi hái c«ng suÊt lín vµ m¸y thu GPS cã thÓ sö dông anten nhá h¬n,
kinh tÕ h¬n. Cã 3 lo¹i m· ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i ®ã lµ : C/A.Code (Coarse
Acquisition), P.Code vµ Y.Code.
+ C/A Code- m· s¬ bé
M· C/A.Code lµ m· gi¶ ngÉu nhiªn (PRN) ®-îc ph¸t ®i víi tÇn sè 1.023
MHz (fo/10). M· nµy lµ chuçi ch÷ sè 0 vµ 1 s¾p xÕp theo quy luËt tùa ngÉu
nhiªn lÆp l¹i víi tÇn suÊt 1/1000gi©y. Mçi vÖ tinh ®-îc g¸n 1 m· C/A.Code
riªng biÖt. M· C/A.Code chØ ®-îc ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i L1. Ph-¬ng tr×nh
gi¶i m· C/A kh«ng b¶o mËt do vËy m· C/A.Code th«ng dông trong nhiÒu
m¸y thu d©n sù dïng ®Ó dÉn ®-êng vµ lËp b¶n ®å tû lÖ nhá.
+ P.Code - m· chÝnh x¸c
P.Code lµ m· gi¶ ngÉu nhiªn (PRN) thø hai, ph¸t ®i víi tÇn sè c¬ b¶n fo
= 10.23 MHz. M· nµy t¹o bëi nhiÒu chuçi ch÷ sè 0 vµ 1 s¾p xÕp theo quy luËt
tùa ngÉu nhiªn. TÝn hiÖu nµy lÆp l¹i víi tÇn suÊt 267 ngµy. Chu kú 267 ngµy
chia thµnh 38 ®o¹n 7 ngµy, trong ®ã 6 ®o¹n giµnh riªng cho môc ®Ých vËn
hµnh. Mçi mét ®o¹n 7 ngµy cßn l¹i ®-îc g¸n m· ph©n biÖt cho tõng vÖ tinh.
P-Code còng sö dông cho môc ®Ých øng dông ®o ®¹c qu©n sù cã ®é chÝnh
x¸c cao.
18
+ Y.Code
Y.Code lµ m· b¶o mËt cña P.Code. ViÖc gi¶i m· Y.Code chØ thuéc vÒ
ng-êi dïng cã thÈm quyÒn. V× vËy khi kÝch ho¹t Y.Code th× ng-êi dïng sÏ
kh«ng cã kh¶ n¨ng sö dông c¶ P.Code lÉn Y.Code. ViÖc sö dông Y.Code
®-îc coi lµ m· b¶o mËt (Anti-Spoofing) cña ng-êi chñ hÖ thèng GPS.
1.3.3 C¸c lo¹i sãng t¶i cña hÖ thèng GPS
TÝn hiÖu phôc vô cho viÖc ®o ®¹c b»ng hÖ thèng GPS ®-îc ®iÒu biÕn
sãng t¶i cã c¸c ®é dµi b-íc sãng kh¸c nhau. §ã lµ c¸c th«ng tin vÒ thêi gian
vµ vÞ trÝ cña vÖ tinh. Mçi vÖ tinh cã m· riªng ph¸t trªn 2 tÇn sè t¶i.
- Sãng t¶i cã b-íc sãng L1~19cm víi tÇn sè 54*fo =1575,42 MHz
- Sãng t¶i cã b-íc sãng L2~24,4cm víi tÇn sè 120*fo=1227,60 MHz
M· C/A Code chØ ®iÒu biÕn trªn sãng t¶i L1,
M· chÝnh x¸c P.Code ®iÒu biÕn c¶ hai sãng t¶i L1 vµ L2.
1.3.4 C¸c th«ng b¸o vÖ tinh
Th«ng b¸o dÉn ®-êng do vÖ tinh ph¸t ®i ë tÇn sè thÊp 50 Hz, th«ng b¸o
nµy chøa d÷ liÖu vÒ tr¹ng th¸i cña vÖ tinh vµ vÞ trÝ cña chóng. M¸y thu GPS
gi¶i m· th«ng b¸o ®Ó cã ®-îc vÞ trÝ vµ tr¹ng th¸i ho¹t ®éng cña vÖ tinh, sè liÖu
®· gi¶i m· nµy gäi lµ Ephemeris.
Th«ng b¸o dÉn ®-êng ®iÒu biÕn trªn c¶ hai tÇn sè sãng t¶i. Nã chia
thµnh 5 ®o¹n : Ephemeris, Almanac, m« h×nh khÝ quyÓn, c¸c sè hiÖu chØnh
®ång hå, th«ng b¸o tr¹ng th¸i . Th«ng b¸o vÖ tinh ®-îc sö dông trong ch-¬ng
tr×nh lËp lÞch ®o vµ tÝnh to¸n xö lý kÕt qu¶ ®o. C¸c tham sè th«ng b¸o tr¹ng
th¸i cña vÖ tinh bao gåm:
19
1.3.5 VÖ tinh khoÎ hoÆc kh«ng khoÎ (Healthy or Unhealthy)
C¸c vÖ tinh th-êng ph¸t ®i th«ng b¸o tr¹ng th¸i khoÎ hay kh«ng khoÎ
trong tÝn hiÖu cña nã. M¸y thu GPS sÏ tr¸nh sö dông vÖ tinh kh«ng khoÎ.
Th«ng th-êng c¸c vÖ tinh bÞ tr¹m theo dâi coi lµ kh«ng khoÎ v× nh÷ng lý do
sau :
-VÖ tinh míi phãng lªn quü ®¹o, lóc ®Çu cßn ph¶i thùc hiÖn c¸c thao t¸c
kiÓm tra quü ®¹o vÖ tinh vµ tr¹ng th¸i ®ång hå,
- VÖ tinh ®ang b¶o tr× ®Þnh kú chuyÓn ®éng quü ®¹o, b¶o tr× ®ång hå.
- VÖ tinh ®ang ®-îc kiÓm tra chuyªn m«n, hoÆc khi vÖ tinh bÞ ®iÒu khiÓn
ho¹t ®éng theo c¸ch g©y sai sè lín,
- Khi vÖ tinh ®ang ®-îc söa ch÷a nh÷ng ®éng th¸i bÊt th-êng, ho¹t ®éng
sai chøc n¨ng.
Bé Quèc Phßng Qu©n §éi Mü (DoD - Department of Defence) lµ ng-êi
c«ng bè mçi khi ®Æt vÖ tinh vµo tr¹ng th¸i "kh«ng khoÎ". Th«ng tin nµy cã
s½n qua mét sè dÞch vô th«ng b¸o ®iÖn tö, nh- "Trimble BBS" cña h·ng
Trimble. Tr¹ng th¸i khoÎ cña tÊt c¶ c¸c vÖ tinh ®-îc th«ng b¸o trong th«ng sè
Almanac do tõng vÖ tinh ph¸t ®i. Sè liÖu Almanac do DoD cËp nhËt hµng
ngµy vµ ®-îc vÖ tinh ph¸t ®i c¸ch qu·ng chõng 12.5 phót mét lÇn.
1.3.6 VÖ tinh ho¹t ®éng vµ kh«ng ho¹t ®éng (Enable or Disable)
Trong m¸y thu GPS tÊt c¶ c¸c vÖ tinh ®Òu mÆc ®Þnh lµ ho¹t ®éng. Cã
nghÜa lµ chóng ®Òu ®-îc kÓ ®Õn trong mäi phÐp tÝnh ( víi ®iÒu kiÖn vÖ tinh
khoÎ ). Mét sè m¸y thu cho tuú chän kh«ng kÝch ho¹t vÖ tinh khoÎ khiÕn cho
m¸y thu bá qua vÖ tinh ®ã. H·ng Trimble khuyÕn nghÞ ng-êi dïng kÝch ho¹t
sö dông tÊt c¶ c¸c vÖ tinh.
20
1.3.7 §é chÝnh x¸c dù b¸o ®o kho¶ng c¸ch (URE)
Gi¸ trÞ URE cã trong tÝn hiÖu vÖ tinh. Gi¸ trÞ nµy dù b¸o ®é chÝnh x¸c trÞ
®o ®Õn mét vÖ tinh nhÊt ®Þnh. URE cña tõng vÖ tinh cã thÓ xem trªn mµn h×nh
cña m¸y thu.
VÞ trÝ cña tõng vÖ tinh cã trong th«ng tin qòi ®¹o ephemeris. Do ®ã, vÞ trÝ
cña anten m¸y thu ®-îc x¸c ®Þnh khi biÕt to¹ ®é c¸c vÖ tinh vµ kho¶ng c¸ch
t-¬ng øng ®Õn m¸y thu b»ng c¸ch tÝnh giao héi nghÞch kh«ng gian . Nh- vËy
t¹i mét ®iÓm thu tÝn hiÖu vÖ tinh bÊt kú trong kh«ng gian, to¹ ®é cña ®iÓm
®-îc x¸c ®Þnh. §©y lµ ®iÓm hoµn toµn míi so víi c¸c nguyªn t¾c ®o ®¹c
truyÒn thèng. VÊn ®Ò gi¶i to¹ ®é còng nh- ®é chÝnh x¸c vÒ to¹ ®é ®iÓm ®o sÏ
®-îc ®Ò cËp ®Õn trong c¸c phÇn cô thÓ sau.
1. 4 C¸c trÞ §o GPS
TrÞ ®o GPS lµ nh÷ng sè liÖu mµ m¸y thu GPS nhËn ®-îc tõ tÝn hiÖu cña
vÖ tinh truyÒn tíi. Mçi vÖ tinh GPS ph¸t 4 th«ng sè c¬ b¶n dïng cho viÖc ®o
®¹c chia thµnh 2 nhãm bao gåm:
+ Nhãm trÞ ®o Code:
- C/A.Code,
- P.Code.
+ Nhãm trÞ ®o pha:
- L1- Carrier,
- L2- Carrier,
- Tæ hîp L1/L2.
C¸c trÞ ®o nµy cã thÓ sö dông riªng biÖt hoÆc kÕt hîp ®Ó x¸c ®Þnh kho¶ng
c¸ch ®Õn tõng vÖ tinh.
- Xem thêm -