Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 3: Nguyên lý định vị GPS

Chia sẻ: AndromedaShun _AndromedaShun | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 3: Nguyên lý định vị GPS cung cấp cho học viên những kiến thức về nguyên lý định vị; kỹ thuật đo GPS; các nguồn sai số đo GPS; sai số quỹ đạo vệ tinh; tâm phase của anten;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 3: Nguyên lý định vị GPS

9/8/2013 Chương 3 Ứng dụng máy cầm tay chủ yếu trong dẫn đường và NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS thu thập số liệu bản đồ, GIS độ chính xác thấp. 3.1 NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ 3.1.1 Định vị điểm đơn Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy Đo khoảng cách từ điểm đo (anten GPS) đến 4 vệ tinh sau đó dùng toạ độ vệ tinh và phép giao hội cạnh hình học xác định thu. Về mặt hình học có thể mô tả sự định vị tại một thời toạ độ điểm cần đo. điểm như sau: Máy thu GPS thông thường dùng để định vị điểm đơn là - Nếu có một vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt loại máy cầm tay. Các máy thu này xử lý trị đo và cho kết quả ở cầu thứ 1 có tâm là vị trí vệ tinh, có bán kính bằng khoảng ngay thực địa. cách đo được từ vệ tinh đến máy thu; - Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu Nguyên lý định vị điểm đơn thứ 2 có tâm là vệ tinh thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu. Kết hợp trị đo đến 2 vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ nằm trên giao của 2 mặt cầu trong không gian - đó là một đường tròn; - Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của mặt cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên - kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không gian - Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 3.1.2 Định vị tương đối và phân sai nghiệm duy nhất đó chính là vị trí của điểm đo trong không gian. Do ảnh hưởng của sai số vị trí của các vệ tinh trên quỹ đạo, do sai số đồng hồ và các yếu tố môi trường Như vậy, ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định truyền sóng khác dẫn đến độ chính xác định vị điểm đơn toạ độ điểm đo trong không gian 3 chiều đạt từ 100m đến 30m trong hệ toạ độ WGS - 84. Khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn 4 và số lần Ngay cả khi chính phủ Mỹ loại bỏ nhiễu SA thì việc thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm đo được giải theo định vị tuyệt đối chính xác nhất cũng chỉ đạt tới con số phương pháp số bình phương nhỏ nhất. vài mét. Với độ chính xác này không thể áp dụng cho công tác trắc địa. Nguyên lý định vị điểm đơn cho độ chính xác thấp hơn nhưng sử dụng tốt trong dẫn đường, vì nó cho kết Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ quả định vị tức thời với độ chính xác phù hợp với công tác thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao đó đạo hàng, là định vị tương đối 1
9/8/2013 - GPS phân sai và tương đối hiệu quả hơn đối với cạnh Trước hết cần phân biệt giữa định vị phân sai và định vị tương đối. Định vị phân sai áp dụng với trị đo ngắn vì sai số do ảnh hưởng của khí quyển được coi là đồng code, định vị tương đối áp dụng với trị đo phase đều đối với các máy thu. Tuy nhiên, định vị phân sai hay tương đối có đặc - GPS phân sai và tương đối khi đo với cạnh dài sẽ kém điểm chung là khi hai hay nhiều máy thu cùng quan sát chính xác hơn do nguyên lý ảnh hưởng đồng đều của khí đồng thời một số vệ tinh thì hầu hết sai số nhiễu cố ý SA quyển không còn phù hợp nữa. sinh ra và chiết suất khí quyển bị loại trừ. - Trị đo GPS tương đối với máy hai tần số cho độ chính xác Do vậy, gia số toạ độ chính xác được xác định tốt hơn nhưng không hoàn toàn loại bỏ được lỗi do khí quyển. bằng kỹ thuật GPS phân sai và tương đối. Phương pháp này cho vector cạnh không gian 3 chiều (baseline) giữa các tâm anten máy thu. - Điều quan trọng là nên chọn cạnh ngắn (< 30km) đối với trị đo GPS tương đối. - Đo tương đối cần ít nhất hai máy, một máy thu (trạm tĩnh) đặt cố định trên trên điểm khống chế đã có Sự khác của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử tọa độ theo dõi càng nhiều vệ tinh càng tốt. dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời - Máy thu thứ hai di động (máy rover-trạm động) đặt Kết quả của phương pháp không phải là tọa độ điểm ở những điểm cần xác định toạ độ (điểm đo) so sánh với trong hệ tọa độ GPS mà là véc tơ không gian (Baseline) nối điểm cố định và theo dõi đồng thời ít nhất 4 vệ tinh 2 điểm đặt máy thu hay là các thành phần số gia toạ độ (∆X, chung với trạm tĩnh. ∆Y, ∆Z) của 2 điểm trong hệ toạ độ GPS. Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong trắc địa. - Thời gian ghi dữ liệu tại trạm tĩnh và trạm động phải đồng bộ và cùng tốc độ Để đạt được độ chính xác cao trong định vị tương đối người ta thường tạo ra sai phân. Nguyên tắc của việc - Độ chính xác đo GPS tương đối và phân sai phụ này là: thuộc vào: + Độ chính xác điểm khống chế đặt trạm tĩnh; Dựa trên sự đồng ảnh hưởng của các nguồn sai số đến toạ độ của điểm cần xác định trong bài toán định vị + Loại trị đo GPS nào được sử dụng (trị đo code, tuyệt đối như sai số đồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số toạ hoặc trị đo phase hoặc tổ hợp cả hai loại trị đo) độ vệ tinh, ảnh hưởng của môi trường… + Khoảng cách giữa trạm tĩnh và động. Phương pháp ở đây là lấy hiệu trị đo trực tiếp để tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số kể trên. 2
9/8/2013 1. Đo GPS tương đối theo trị đo pha Trị sai phân đơn có thể là hiệu số giữa hai vệ tinh và Định vị tương đối tốt nhất nên sử dụng trị đo phase. một máy thu, trị đo này loại trừ sai số đồng hồ máy thu. Độ chính xác các điểm định vị tương đối cao hơn và chủ yếu áp dụng trong trắc địa . Trị đo sai phân kép là hiệu số giữa hai trị đo sai phân đơn đây là trị đo chuẩn trong đo GPS tương đối và Đo GPS tương đối theo trị đo phase, trị quan trắc số đa trị nguyên được xác định như đã nêu. GPS thô (raw) được lấy sai phân để tạo thành trị đo mới có khả năng loại trừ hoặc giảm bớt các sai số chung. Trị đo sai phân bội ba (triple difference obsenable) là hiệu số hai trị sai phân kép theo thời gian. Trị đo này Trị đo sai phân bậc một (sai phân đơn) là hiệu số không phụ thuộc vào số đo trị nguyên, do vậy được ứng giữa hai máy thu và một vệ tinh trị đo này loại trừ được dụng để xử lý sự trượt chu kỳ. sai số đồng hồ vệ tinh. 2. Đo GPS phân sai dựa vào trị đo Code - Các số cải chính phân sai coi là như nhau đối với - Hệ thống đo GPS phân sai sử dụng máy thu một anten (di động) ở xa, nó được dùng để cải chính vào tần số và khoảng cách tính theo trị đo C/A-Code khoảng cách gần đúng (pseudorange) của máy di động và do vậy nâng cao độ chính xác định vị của nó. - Máy thu tại trạm tĩnh so sánh khoảng cách gần đúng (pseudorange) đo được với khoảng cách thực tính từ vị trí anten và vị trí vệ tinh để xác định số cải chính phân sai. - Số cải chính phân sai do trạm tĩnh được áp dụng cho các máy thu di động. 3.2 KỸ THUẬT ĐO GPS 3.2.2. Đo tương đối 3.2.1. Đo tuyệt đối Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ Là kỹ thuật xác định toạ độ tuyệt đối của điểm đặt máy độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu (WGS-84). của khoảng cách cần đo (base line). Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo của các vệ tinh tại thời điểm đo. dạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác đo đạc bản đồ các tỉ lệ. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp, không dùng được cho việc đo đạc chính xác. Đối với phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh. Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. 3
9/8/2013 Dưạ vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tương đối sau: Độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào: 1. Đo GPS tĩnh (Static) - Độ dài cạnh đo; Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả - Số lượng vệ tinh có thể quan trắc; hai trị đo code và phase sóng mang (carrier phase). Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại các - Độ chính xác yêu cầu với lưới GPS; điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ - Cấu hình vệ tinh 1 giờ trở lên. - Độ ồn tín hiệu vệ tinh thu được - Tình trạng thông thoáng tại các vị trí đặt máy Thời gian đo kéo đài để đạt được sự thay đổi đồ Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư (nhiều hơn 4 vệ tinh), và vệ tinh càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính hơn xác cao nhất. 2. Đo GPS tĩnh nhanh (FastStatic). Số vệ tinh nhiều hơn 4 báo đảm trị đo dư với đồ hình Phương pháp này có bản chất giống như đo GPS tĩnh vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm số nguyên đa trị và nhưng thời gian đo ngắn hơn gọi là đo nhanh tăng tốc độ giảm thời gian định vị, thời gian đo tại một trạm nói chung đo là do giải nhanh được số nguyên đa trị. thay đổi từ 5' - 20' tương ứng với 6 - 4 vệ tinh. Phương pháp đo tĩnh nhanh và máy thu GPS 2 tần Đo tĩnh nhanh năng suất hơn đo tĩnh, độ chính xác số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn < 25km. Thời gian đo kém hơn một chút so với đo tĩnh (1cm + 2ppm). Hiện nay tĩnh nhanh phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần số L1 - C/A Code. Ví dụ hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu một tần số L1- 4600LS 3.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐO GPS 3. Đo GPS động (Kinematic) 3.3.1 Tầm nhìn vệ tinh Phương pháp được tiến hành với 1 máy đặt tại trạm cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác đặt tại Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải có tầm các điểm cần đo toạ độ. nhìn thông tới ít nhất 4 vệ tinh. Rõ ràng là khi sử dụng được càng nhiều vệ tinh thì kết quả định vị càng tốt hơn. Đo GPS động là giải pháp đo nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác đo khoảng cách cỡ cm. Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua Nguyên lý đo động là giải được số nguyên đa trị (số được tán cây hoặc các vật che chắn như nhà ở. nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác định nhờ giải pháp khởi đo và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh (tốt hơn là 5) trong Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan khi đi chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo trọng đặc biệt đối với công tác trắc địa GPS xây dựng các tại các điểm này chỉ cần một vài trị đo mạng lưới khống chế toạ độ 4
9/8/2013 3.3.2. Hiện tượng đa tuyến 3.3.3. Sự phân tán độ chính xác (DOPS) Anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150. Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu Việc chọn ngưỡng góc cao l50 này nhằm giảm ảnh trời. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh là hệ số phân tán độ hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng chính xác, chỉ số DOP chia ra: đa tuyến, hiện tượng đa tuyến phát sinh khi tín hiệu GPS phản xạ từ các địa vật gần máy thu - PDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí. Do vậy đường truyền tín hiệu GPS cần phải tránh khu - TDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian. vực có khả năng phản xạ như hồ nước mặn, nhà cao tầng, xe cộ - HDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng - VDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về chiều cao. Tránh đặt máy thu gần các địa vật kim loại như hàng rào lưới thép đường truyền tải điện để phòng tránh sự tạo - GDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về hình học. ảnh vì trong trường hợp đó vật kim loại có vai trò như anten thứ cấp làm méo kết quả định vị. 3.3.4. Các sai số đo Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số Khi đo GPS tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính DOP đạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi. Điều này đặc tinh đạt yêu cầu với chỉ số thấp DOP < 6 biệt quan trọng đối với điểm gốc qui chiếu (trạm tĩnh), bởi vì các lỗi bị mặc phải ở đây sẽ lan truyền tới tài cả các điểm tiếp sau. Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác. Đo chiều cao anten không đúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS. Một loại sai số đo khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS. Nguyên nhân là do phần mạch điện tử và sự suy giảm độ phân giải của máy thu. Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn. 3.3.5. Tâm phase của anten 3.3.6. Sai số quỹ đạo vệ tinh Tâm phase là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện. Các Định vị GPS phụ thuộc vào vị trí đã biết của vệ tinh. trị đo được tính vào điểm này. Điều này có ý nghĩa quan Người sử dụng phải dựa vào lịch thông báo vệ tinh mà trọng đối với công tác trắc địa, ở nhà máy chế tạo, anten đã được kiểm định sao cho tâm phase trùng với tâm hình lịch vệ tinh có thể bị lỗi vài chục mét. Do vậy nếu sử dụng học của nó. quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ Ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc đạo vệ tinh: sử dụng mô hình tâm phase ở giai đoạn tính xử lý. - Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm Quy tắc đo là sử dụng cùng một loại anten cho cùng những điểm khung chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh một ca đo. dành cho công tác đo đạc đặc biệt. 5
9/8/2013 - Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precisc ephemeris) Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục từ Dịch vụ Địa động học GPS Quốc tế Nguồn lỗi Biện pháp xử lý Cơ quan này sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm 1.Phụ thuộc vệ tinh GPS toàn cầu để theo dõi các quỹ đạo vệ tinh, trong khi đoạn điều khiển hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ - Ephemeris Ephemeris chính xác tinh. Vì vậy, hệ thống cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinh thông báo - Đồ hình vệ tinh Sai phân bậc một - Đồ hình vệ tinh Chọn thời gian đo có PDOP