Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm đánh giá khả năng và hiệu quả sử dụng của phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số khi sử dụng nhiều trạm cố định dựa trên kết quả thử nghiệm tại khu vực đo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Văn Quang NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐO GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU BẰNG MÁY THU MỘT TẦN SỐ VỚI NHIỀU TRẠM CỐ ĐỊNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Văn Quang NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐO GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU BẰNG MÁY THU MỘT TẦN SỐ VỚI NHIỀU TRẠM CỐ ĐỊNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH Chuyên ngành: Quản lý đất đai Mã số: 60850103 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Trần Quốc Bình HÀ NỘI - 2014
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Quốc Bình, người đã chỉ bảo và hướng dẫn tôi tận tình trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài này. Trong suốt thời gian học tập tôi đã được tạo điều kiện, giúp đỡ tận tình của các thầy, cô trong Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội để tôi có kết quả học tập tốt và có được những kiến thức thiết thực trong chuyên ngành của tôi. Trong thời gian thực nghiệm đề tài, tôi cũng nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình từ các đồng nghiệp hiện đang công tác tại Viện Khoa học Đo đạc và Bản đồ, các bạn bè tôi và đặc biệt là từ gia đình và người thân của tôi. Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành sự giúp đỡ quý báu đó. Ngoài những lời tri ân trên đây, tôi xin cam đoan nội dung đề tài là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học của tôi. Tôi rất biết ơn và mong nhận được những ý kiến đóng góp và phản hồi đối với nội dung nghiên cứu của đề tài này. Học viên Lê Văn Quang
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS ................................................ 5 1.1. Sự hình thành của hệ thống GPS .......................................................................... 5 1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS ................................................................................... 6 1.2.1. Đoạn không gian...................................................................................................7 1.2.2. Đoạn điều khiển ..................................................................................................10 1.2.3. Đoạn sử dụng ......................................................................................................11 1.3. Các phương pháp đo GPS .................................................................................. 12 1.3.1. Đo GPS tuyệt đối ................................................................................................12 1.3.2. Đo GPS tương đối ..............................................................................................13 1.4. Tình hình ứng dụng công nghệ GPS trong thu thập dữ liệu không gian............ 19 1.4.1. Tình hình ứng dụng GPS trên thế giới .............................................................19 1.4.2. Tình hình ứng dụng GPS ở Việt Nam ...............................................................20 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KỸ THUẬT ĐO GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU ........................................................................................................... 24 2.1. Cơ sở khoa học của phương pháp đo pha GPS .................................................. 24 2.1.1. Mô hình toán học của phương pháp đo pha GPS ..........................................24 2.1.2. Các trị đo pha phân sai......................................................................................26 2.2. Kỹ thuật đo GPS động xử lý sau ........................................................................ 28 2.2.1. Nguyên tắc đo đạc ..............................................................................................28 2.2.2. Quy trình đo GPS động xử lý sau .....................................................................29 2.2.3. Các nguồn sai số trong đo GPS động xử lý sau .............................................34 2.3. Khả năng ứng dụng đo GPS động xử lý sau trong đo đạc địa chính ................. 37 2.3.1. Ưu và nhược điểm của kỹ thuật đo GPS động xử lý sau ...............................37
2.3.2. Đánh giá về khả năng ứng dụng công nghệ GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính ............................................................................................................38 2.4. Vấn đề sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau .................... 39 2.4.1. Những lợi thế khi sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau. ..................................................................................................................................39 2.4.2. Các nguồn sai số có thể giảm thiểu khi sử dụng nhiều trạm cố định ..........39 CHƢƠNG 3. THỬ NGHIỆM ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU VỚI NHIỀU TRẠM CỐ ĐỊNH TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN NAM TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI .................................................... 40 3.1. Khái quát về khu vực thử nghiệm ...................................................................... 40 3.1.1. Vị trí địa lý ...........................................................................................................40 3.1.2. Đặc điểm về địa hình, địa vật ...........................................................................41 3.1.3. Tình hình đo đạc địa chính và lập hồ sơ địa chính ........................................41 3.2. Thử nghiệm thành lập lưới khống chế đo vẽ bằng phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định .................................................................................... 42 3.2.1. Điều kiện thử nghiệm .........................................................................................42 3.2.2. Kết quả thử nghiệm ............................................................................................48 3.3. Thử nghiệm đo vẽ chi tiết bằng phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định ............................................................................................................... 53 3.3.1. Điều kiện thử nghiệm .........................................................................................53 3.3.2. Kết quả thử nghiệm ............................................................................................55 3.4. Đề xuất một số giải pháp để nâng cao hiệu quả của phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính .......................................... 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 69 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 70
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS [1]........................................................................ 6 Hình 1.2. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS .............................................................. 7 Hình 1.3. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất ........................................ 7 Hình 1.4. Cấu trúc tín hiệu GPS [1] ................................................................................ 9 Hình 1.5. Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 ............ 11 Hình 1.6. Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble ................................................. 12 Hình 1.7. Sơ đồ kỹ thuật đo tĩnh ................................................................................... 13 Hình 1.8. Sơ đồ kỹ thuật đo GPS động (Kinematic GPS) ............................................ 16 Hình 2.1. Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng do máy thu phát ra ...................... 24 Hình 2.2. Sơ đồ tính toán các trị đo pha phân sai. ........................................................ 27 Hình 3.1. Vị trí quận Nam Từ Liêm.............................................................................. 40 Hình 3.2. Khu vực đo thử nghiệm................................................................................. 44 Hình 3.3. Sơ đồ lưới đo tĩnh .......................................................................................... 45 Hình 3.4. Đồ thị sai số vị trí điểm theo số lượng trạm Base ......................................... 51 Hình 3.5. Đồ thị sai số độ cao theo số lượng trạm Base ............................................... 52 Hình 3.6. Sơ đồ phân bố các điểm đo trên khu đo ........................................................ 55 Hình 3.7. Đồ thị sai số vị trí điểm theo số lượng trạm Base với thời gian đo 2 epoch ....... ...58 Hình 3.8. Đồ thị sai số vị trí điểm theo số lượng trạm Base với thời gian đo 3 epoch ........ ..59 Hình 3.9. Đồ thị sai số vị trí điểm theo số lượng trạm Base với thời gian đo 5 epoch ........ ..60 Hình 3.10. Đồ thị sai số độ cao theo số lượng trạm Base với thời gian đo 2 epoch ..... 60 Hình 3.11. Đồ thị sai số độ cao theo số lượng trạm Base với thời gian đo 3 epoch ..... 61 Hình 3.12. Đồ thị sai số độ cao theo số lượng trạm Base với thời gian đo 5 epoch ..... 62
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Yêu cầu về sai số vị trí điểm khống chế đo vẽ [2] ....................................... 42 Bảng 3.2. Khái quát về khu đo thử nghiệm................................................................... 44 Bảng 3.3. Bảng tọa độ và sai số trung phương vị trí các điểm sau bình sai ................ 46 đo bằng phương pháp đo tĩnh ........................................................................................ 46 Bảng 3.4. Bảng tọa độ các điểm trạm Base và trạm Rover........................................... 46 Bảng 3.5. Bảng tổng hợp kết quả đo PPK khi sử dụng 1, 2, 3 trạm Base đặt tại TN01, TN06, TN07 .................................................................................................................. 50 Bảng 3.6. Bảng sai số tọa độ phẳng trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau....................................................................................................................... 51 Bảng 3.7. Bảng sai số độ cao trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau ............................................................................................................................... 52 Bảng 3.8. Bảng tổng hợp kết quả đo PPK sử dụng số lượng trạm Base TN02, TN04, TN05 với thời gian khác nhau ....................................................................................... 57 Bảng 3.9. Bảng sai số tọa độ phẳng trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 2 epoch .............................................................................. 58 Bảng 3.10. Bảng sai số tọa độ phẳng trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 3 epoch .....................................................................................58 Bảng 3.11. Bảng sai số tọa độ phẳng trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 5 epoch .............................................................................. 63 Bảng 3.12. Bảng sai số độ cao trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 2 epoch ....................................................................................... 60 Bảng 3.13. Bảng sai số độ cao trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 3 epoch ....................................................................................... 61 Bảng 3.14. Bảng sai số độ cao trung bình đo PPK sử dụng số lượng trạm Base khác nhau với thời gian đo 5 epoch ....................................................................................... 61
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT GPS : Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) PDOP : Sự suy giảm độ chính xác vị trí điểm (Posittion Dilution of Precision) RTK : Đo động thời gian thực (Real Time Kinematic) PPK : Đo động xử lý sau (Post Processing Kinematic) STAT : Đo tĩnh (Static) DOP : Chỉ số DOP (Dilution of Precision) 1
MỞ ĐẦU Đất đai là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của quốc gia, nơi mà con người sinh sống, tồn tại và phát triển. Do vậy, việc quản lý Nhà nước về đất đai là một nhiệm vụ cần thiết trong quản lý Nhà nước. Một trong những công cụ phục vụ nhiệm vụ đó là hệ thống hồ sơ địa chính, trong đó có bản đồ địa chính. Hiện nay, việc đo đạc thành lập bản đồ địa chính được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp toàn đạc điện tử. Đây là phương pháp đo đạc cho độ chi tiết cao, độ chính xác tốt nhưng lại phải thành lập các mạng lưới khống chế tọa độ dày đặc, các trạm đo đảm bảo thông hướng. Để đảm bảo các công việc này phải tốn nhiều công lao động, do vậy hiệu quả công việc chưa cao. Trong những năm gần đây, hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Poisitioning System) ngày càng hoàn thiện và phát triển, được ứng dụng rộng rãi và mang độ chính xác cao. Vì thế việc ứng dụng công nghệ GPS vào trong đo đạc bản đồ đang được sử dụng phổ biến và đem lại những lợi thế như xác định tọa độ điểm đạt độ chính xác cao, không cần thông hướng giữa các trạm đo, ít phụ thuộc vào các điều kiện thời tiết, cho năng suất lao động cao. Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ GPS trong đo đạc địa chính chủ yếu dùng phương pháp đo tĩnh để thành lập lưới khống chế tọa độ, vì thế mà khả năng ứng dụng cũng bị hạn chế. Vì vậy việc nghiên cứu phương pháp đo GPS động (cho năng suất cao hơn phương pháp đo tĩnh, độ chính xác trong giới hạn cho phép) trong đo đạc địa chính là điều cần thiết để có cơ sở khoa học triển khai ứng dụng phổ biến ở nước ta. Trong thực tế, khi triển khai đo động bằng GPS, người ta thường sử dụng một hay nhiều trạm động (trạm Rover) với chỉ một trạm cố định (trạm Base) nhằm giảm số lượng yêu cầu về máy thu. Ngày nay, khi các máy thu GPS đã có giá thành rẻ hơn nhiều so với trước đây, nảy sinh ra vấn đề sử dụng nhiều trạm Base để làm tăng độ tin cậy và có thể làm tăng độ chính xác của kết quả đo. Vấn đề đặt ra là khi sử dụng nhiều trạm Base, độ chính xác của kết quả đo có cải thiện đáng kể được hay không và nếu có thì đồ hính bố trí các trạm Base và Rover như thế nào là tốt nhất? Xuất phát từ những lý do này, tôi tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính”. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá khả năng và hiệu quả sử dụng của phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số khi sử dụng nhiều trạm cố định dựa trên kết quả thử nghiệm tại khu vực đo. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS và kỹ thuật đo GPS động xử lý sau. - Đánh giá độ chính xác khi đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số khi sử dụng một trạm cố định và khi sử dụng nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính. Từ đó đề xuất phương án bố trí trạm đo hợp lý ở khu vực đo. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: tìm hiểu về công nghệ GPS và ứng dụng trong đo đạc lập bản đồ địa chính. - Phương pháp so sánh: so sánh kết quả đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số khi sử dụng một trạm cố định và nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính. - Phương pháp thống kê: phân tích các kết quả để tìm ra quy luật của các hiện tượng. 5. Kết quả đạt đƣợc - Đánh giá khả năng áp dụng công nghệ đo GPS động xử lý sau trong đo đạc địa chính. - Đề xuất một số giải pháp về việc sử dụng nhiều trạm cố định để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ đo GPS động xử lý sau trong đo đạc địa chính. 6. Ý nghĩa của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Đề xuất một số định hướng sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả đề tài làm cơ sở để các đơn vị sản xuất ứng dụng đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong để đo vẽ chi tiết và thành lập lưới khống chế trong đo đạc địa chính. 3
7. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn có cấu trúc gồm 03 chương: Chương 1. Tổng quan về công nghệ GPS Chương 2. Cơ sở khoa học của kỹ thuật đo GPS động xử lý sau Chương 3. Thử nghiệm đo đạc địa chính bằng phương pháp GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trên địa bàn quận Nam Từ Liêm, thành phố Hà Nội. 4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1.1. Sự hình thành của hệ thống GPS Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó thì TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ thống TRANSIT. Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy, trong trắc địa thì hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng trong đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng [6]. Tiếp theo thành công của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging – Global Poisitioning System) gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ thống TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" [4]. Từ năm 1978 đến 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay một số vệ tinh thuộc khối I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.200 km. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block III) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1955. Vào tháng 4 năm 2007, có tổng số 30 vệ tinh của hệ thống GPS đang được hoạt động trên quỹ đạo [1]. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của CHLB Nga nhưng không được thương mại hoá rộng rãi và một hệ 5
thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng đồng Châu Âu. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế. Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 1990. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn sông Bé, Cà Mau [6]. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ qui chiếu Quốc gia cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) [16] và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản và hiệu quả. 1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp và theo chức năng được chia thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment); - Đoạn điều khiển (Control Segment); - Đoạn sử dụng (User Segment). Hình 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS [1] 6
1.2.1. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh nhân tạo bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh. Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và bất kỳ vị trí nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS – điều kiện tối thiểu để có thể định vị được không gian 3 chiều. Hình 1.2. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS Hình 1.3. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS. 7
Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau [1]: - Hai sóng tải (hay sóng mang – carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2; - Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code); - Thông báo định vị (navigation message). Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f0 = 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh. Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị. Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được tính từ tần số cơ bản như sau: fL1 = 154  f0 = 1575.42Mhz; fL2 = 120  f0 = 1227.60Mhz; Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau: c c  L1 =  19 cm L2 =  24 cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một giả ngẫu nhiên. Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1]. Có hai loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ “clear/access code” hay “coare/acquisition code”), được phát đi ở tần số 1.023Mhz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ “private code” hay “precide code”), được phát đi ở tần số 10.23Mhz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày. Số 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh. Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải L1 và L2. 8
Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code mã hoá thành Y-code và người dùng dân sự không sử dụng được. - Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh; + Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa,…); + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly. Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị. Các thông báo định vị được phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A- code. Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [10]. Hình 1.4. Cấu trúc tín hiệu GPS [1] 9
1.2.2. Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển bao gồm các thiết bị để điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái (sức khoẻ) của vệ tinh, theo dõi quỹ đạo, tính toán lịch vệ tinh, tải các dữ liệu lên vệ tinh. Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất nằm ở Hawaii, Colorado Springs, đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm này có chức năng như sau [1]: - Cả 5 trạm đều là các trạm theo dõi (monitoring station) có nhiệm vụ theo dõi trạng thái hoạt động và quỹ đạo của vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều khiển chính (master control station). - Trạm điều khiển chính đặt ở căn cứ không quân Schriever AFB (Air Force Base) ở Colorado Springs, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu nhận được từ các trạm khác để tính toán lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. Đây cũng là trạm ra các lệnh điều khiển hệ thống như thay đổi đường bay của vệ tinh, tắt / bật các chế độ mã hoá,… - Ba trạm ở đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein có chức năng tải dữ liệu lên các vệ tinh (bao gồm lịch vệ tinh, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ để đưa vào thông báo định vị Navigation message và các lệnh từ trạm điều khiển chính). Mỗi trạm tải dữ liệu có thể quan sát được mọi vệ tinh ít nhất một lần trong ngày. Do đó, mỗi một vệ tinh sẽ được nhìn thấy và truyền dữ liệu từ 3 trạm tải dữ liệu 3 lần trong ngày, các thông báo định vị được cập nhật 3 lần trong 1 ngày (mặc dù hiện nay người ta mới chỉ cập nhật 1 hoặc 2 lần / ngày). - Một chức năng nữa của phần điều khiển ít được nhắc tới là chức năng xác định hệ quy chiếu cho các kết quả đo GPS. Toạ độ vệ tinh có trong lịch vệ tinh do các trạm điều khiển phát lên được cho trong hệ tọa độ WGS-84. Do đó, các kết quả đo GPS đều nằm trong hệ tọa độ này. Khi hệ thống GPS ngày càng phát triển và hiện đại thì các vệ tinh càng trở nên độc lập hơn với phần điều khiển. Các vệ tinh khối II R và II F có thể liên kết với nhau và lịch vệ tinh có thể được tính toán ở ngay trong phần không gian mà không cần đến phần điều khiển của hệ thống. 10
Hình 1.5. Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của NGA (National Geospatial- Intelligence Agency – Cơ quan tình báo địa không gian Mỹ) đã được thêm vào phần điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 trạm. Với số lượng trạm điều khiển như vậy, mỗi một vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy từ ít nhất là 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn. Trong thời gian tới sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy từ tối thiểu 3 trạm điều khiển [1]. Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, tọa độ và độ lệch của đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày thông qua các trạm theo dõi. 1.2.3. Đoạn sử dụng Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm tính toán xử lý số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay có thể gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, ôtô, tàu điện, tàu thủy, tên lửa, vệ tinh nhân tạo,…tùy theo mục đích sử dụng. Các thiết bị của đoạn sử dụng rất đa dạng bởi chúng phục vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau của GPS. Các thiết bị này thường được phân loại theo loại trị đo mà chúng có thể thực hiện được, đó là [1]: + Các máy thu GPS để định vị trong mục đích dân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code ở tần số L1; 11
+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích quân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code và P-code ở cả 2 tần số L1 và L2; + Các máy đo pha một tần số (L1); + Các máy đo pha 2 tần số L1 và L2. Trong số 4 loại máy trên thì có hai loại sau được sử dụng trong đo đạc địa chính vì chúng cho độ chính xác rất cao, tới vài milimét. Hình 1.6. Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble 1.3. Các phƣơng pháp đo GPS 1.3.1. Đo GPS tuyệt đối Là phương pháp xác định tọa độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ tọa độ toàn cầu WGS-84. Phương pháp định vị này là việc tính tọa độ của điểm đo nhờ việc giải bài toán giao hội không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ của các vệ tinh tại thời điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp (sai số khoảng 5m-15m), không dùng được cho việc đo đạc chính xác, chỉ dùng cho mục đích dẫn đường và các mục đích khác với yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương pháp này chỉ dùng một máy để thu tín hiệu vệ tinh. 12
1.3.2. Đo GPS tƣơng đối Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu tọa độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 của đầu khoảng cách cần đo (Baseline). Độ chính xác của phương pháp này là rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất là đo tọa độ tương đối nên phương pháp này cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong một thời điểm đo. Tùy thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành 4 dạng đo tương đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (Fast – Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic). Tùy từng dạng lưới mà sử dụng dạng đo thích hợp [1]. 1.3.2.1. Phương pháp đo tĩnh (static) Trong kỹ thuật đo tĩnh, một máy thu đặt ở điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver) và máy thu thứ 2 đặt tại điểm cần xác định tọa độ (gọi là remote receiver). Nếu có nhiều hơn hai máy thu thì có thể bổ sung thêm các base receiver hoặc remote receiver. Khi kỹ thuật đo tĩnh đòi hỏi các máy thu phải cùng đo đồng thời một khoảng thời gian khá lâu (từ 30 phút tới thậm chí vài ngày) để có thể tính được số nguyên chu kỳ. Khoảng thu tín hiệu (logging interval) thường được chọn là 15-20s. Thời gian đo phụ thuộc vào số lượng vệ tinh, đồ hình vệ tinh, chiều dài cạnh đáy, loại máy thu (1 tần số hay là 2 tần số), yêu cầu về độ chính xác,…Cần chú ý là trong quá trình đo phải có tối thiểu 4 vệ tinh cùng được nhìn thấy từ base receiver và remote receiver. Hình 1.7. Sơ đồ kỹ thuật đo tĩnh 13