CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS

CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Mục lục
Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được
giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng
chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các
điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn.
Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm
tay đơn giản và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu
thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến. Theo các nhà dự báo, trong
thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều
khiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ.
I. Nội dung.
1
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
1. Giới thiệu về hệ thống GPS
1.1 Hệ thống GPS là gì?
NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống định vị dựa
vào các vệ tinh. Nó có nhiều ưu điểm sau:
· Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet
· Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất
· Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết
GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân
sự. Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ
quốc phòng Mỹ. Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người
sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn.
GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler
TRANSIT đã phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20
năm. Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu
khoa học và kỹ thuật sau:

- Độ tin cậy cao của hệ thống không gian
- Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao
- Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác
- Công nghệ VLSI và quang phổ rộng
1.2 Các thành phần của GPS
Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng:
- Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín
hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động
- Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ
theo dõi vệ tinh, tính toán quỹ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng
không gian
- Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán
để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí
2
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Hình 1: GPS là gì.
a. Mảng không gian.
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
3
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Hình 2. Vệ tinh nhân tạo của GPS
Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF.
Thế hệ vệ tinh đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell
International Corporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng
5 năm. Block II và IIA cũng do công ty này xây dựng nhưng nặng

đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các
vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những
vệ tinh này công ty General Electric xây dựng. Block IIF vẫn đang
trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005.
Hiện nay (2003) trên quĩ đạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR. Cấu
hình quĩ đạo như sau:
- Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn
- Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh
4
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
- Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°
Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km.
Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số
L1 1575.42MHz và L2 1227.60MHz. Các tín hiệu vệ tinh bao
gồm:
- Hai tần số sóng mang
- Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang
- Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ
tinh.
b. Mảng điều khiển
Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát sức
khoẻ; theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu
lên vệ tinh. Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado
Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein. Chức năng của
chúng như sau:
- Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu
đến trạm điều khiển chính.
- Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại
đó dữ liệu theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh
đồng hồ vệ tinh.

- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp
dữ liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.
5
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Hình 3 .các trạm điều khiển GPS
c. Mảng người sử dụng
Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:
- Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)
- Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng)
- Các quá trình điều hành
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng
loại, độ chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:
- Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên 1 tần số
L1
- Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai
tần số
Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:
- Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện
nay được dùng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc
sử dụng khó khăn. Ví dụ như Trimble 4800, Topcon Legacy,
Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica
system 500,vv…
- Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo
đơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ
6
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
bản đồ và GIS. Ví dụ như Trimble Geo-explorer XT, Ashtech
Reliance
- · Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu

tạo gọn nhẹ nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất
thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch, …
Ví dụ Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan
1.3 Độ chính xác của hệ thống GPS
Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế
nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh
song song (của Garmin) nhanh chóng khóa vào các quả vệ tinh khi
mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán
lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái
của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới
độ chính xác của máy thu GPS. Các máy thu GPS có độ chính xác
trung bình trong vòng 15 mét. Các máy thu mới hơn với khả năng
WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể tăng độ chính xác
trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để
có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính
xác tốt hơn với GPS vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các
tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục
Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao
gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi
bằng các máy phát hiệu. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người
dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với
máy thu GPS của họ.
2. Các nguồn lỗi gây sai lệch vị trí và cách khắc phục trong GPS
7
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
• Các nguyên nhân chính gây ra sai số trong kĩ thuật dịnh
vị tuyệt đối.
- Do vệ tinh: chiếm ¾ nguyên nhân, tức là sai số đồng hồ vệ tinh và
các nhiễu trong công nghệ vệ tinh
- Do trạm điều khiển: là sai số trong việc dự đoán và tính toán quỹ

đạo của vệ tinh. Thông tin này sẽ được truyền lên vệ tinh để mã
hóa vào tín hiệu và truyền xuống cho máy thu
- Do quá trình truyền tín hiệu: cụ thể là sai số do tầng điện ly, do
tầng đối lưu, sai số do việc tín hiệu bị phản xạ (hiện tượng đa
đường) và nhiễu gây ra do việc truyền phát các tín hiệu khác
- Do máy thu: ví dụ như do nhiễu tại máy thu hay sai số đồng hồ
của máy thu.
Các nguồn sai số chính trên gây ra các sai số cho các máy thu GPS
cầm tay như bảng sau
8
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Hình 4: Nguồn gây lỗi sai lệch vị trí GPS.
Các lỗi bắt nguồn từ vệ tinh bao gồm lịch thiên văn, hay lỗi quỹ đạo,
lỗi đồng hồ vệ tinh và ảnh hưởng của khả năng chọn lọc. Lỗi chọn lọc
được thực hiện do chủ ý của bộ quốc phòng Mỹ để làm giảm độ chính
xác GPS độc lập vì lý do an ninh. Tuy nhiên,
việc này đã chấm dứt vào ngày 1/5/2000. Lỗi bắt nguồn từ máy thu
bao gồm lỗi đồng hồ máy thu, lỗi đa đường, nhiễu máy thu và sự biến
thiên tâm pha của anten. Lỗi truyền tín hiệu bao gồm trễ của tín hiệu
GPS khi nó truyền qua tầng điện ly và tầng đối lưu
của bầu khí quyển. Trên thực tế, chỉ trong môi trường chân không
(không gian tự do) tín hiệu GPS mới truyền với tốc độ ánh sáng.
Cộng với ảnh hưởng của nhiễu, vị trí GPS tính toán được còn bị ảnh
hưởng bởi vị trí hình học của các vệ tinh GPS được quan sát bởi máy
thu. Các vệ tinh càng tỏa rộng trên bầu trời thì độ chính xác đạt được
càng cao. Một số lỗi và sai lệch có thể được giới hạn hoặc giảm bớt
thông qua sự kết hợp các quan sát GPS một cách thích hợp.
9
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
2.1 Lỗi lịch thiên văn

Vị trí vệ tinh là hàm của thời gian, vị trí này chứa trong bản tin
dẫn đường quảng bá của vệ tinh, được dự đoán từ các quan sát GPS
trước đó tại các trạm điều khiển mặt đất. Việc mô hình hóa các lực tác
động vào vệ tinh thường sẽ không chính xác hoàn toàn, điều này gây
nên các lỗi dự đoán vị trí của vệ tinh, gọi là lỗi lịch thiên văn. Bình
thường, lỗi lịch thiên văn thường nằm trong khoảng từ 2m đến 5m, và
có thể lên đến 50m khi sử dụng khả năng chọn lọc. Lỗi khoảng cách
do sự kết hợp của lỗi lịch thiên văn và lỗi đồng hồ vệ tinh nằm ở mức
2.3m. Một lỗi lịch thiên văn cho một vệ tinh cụ thể nào đó được nhận
biết bởi tất cả người dùng trên thế giới. Tuy nhiên, những người dùng
khác nhau quan sát cùng một vệ tinh ở những góc khác nhau, do đó
khoảng và vị trí đo được chịu những ảnh hưởng khác nhau của lỗi lịch
thiên văn. Điều này có nghĩa là việc kết hợp đo đạc của hai máy thu
đồng thời cùng bám một vệ tinh không thể loại bỏ hoàn toàn lỗi lịch
thiên văn.
Hình 5: Lịch thiên văn.
10
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Cách khắc phục: Nhưng với những người sử dụng gần nhau có
thể nhận biết được hầu hết lỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn bằng
cách lấy sai khác của các kết quả quan sát này. Trong định vị tương
đối, người ta sử dụng quy tắc ngón tay cái để đánh giá thô ảnh hưởng
của lỗi lịch thiên văn đối với độ phân giải đường ranh giới: lỗi đường
ranh giới/độ dài đường ranh giới = lỗi vị trí vệ tinh / phạm vi vệ tinh.
Điều này có nghĩa là nếu lỗi vị trí vệ tinh là 5m và chiều dài đường
ranh giới là 10 km, thì lỗi đường ranh giới do lỗi lịch thiên văn xấp xỉ
khoảng 2.5mm.
2.2 Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu
Mỗi vệ tinh Block II và Block IIA mang bốn đồng hồ nguyên tử,
hai đồng hồ xezi và hai đồng hồ rubi. Thế hệ vệ tinh Block IIR mới

hơn chỉ mang các đồng hồ rubi. Một trong các đồng hồ này, chủ yếu
là đồng hồ xezi đối với các vệ tinh Block II và Block IIA, được chọn
để cung cấp tần số và định thời để phát tín hiệu GPS. Những đồng hồ
khác là các đồng hồ dự phòng . Mặc dù các đồng hồ vệ tinh GPS có
độ chính xác cao, nhưng chúng không phải là hoàn hảo tuyệt đối. Độ
ổn định của chúng vào khoảng 1/1013 đến 2/1013 trong khoảng thời
gian là một ngày. Có nghĩa là sai số của các đồng hồ vệ tinh vào
khoảng 8.64 đến 17.28 ns một ngày. Sai số khoảng cách tương ứng từ
2.59 m đến 5.18 m, kết quả này có thể tính ra dễ dàng bằng cách nhân
sai số đồng hồ với vận tốc ánh sáng (299729458 m/s). Đồng hồ xezi
có xu hướng hoạt động tốt hơn qua thời gian dài so với đồng hồ rubi.
Thực tế, độ ổn định của đồng hồ xezi qua 10 ngày hoặc lâu hơn lên
đến vài phần 1014. Hoạt động của đồng hồ vệ tinh được giám sát bởi
hệ thống điều khiển mặt đất.
Lượng dịch đi được tính toán và truyền đi theo dạng ba hệ số của
một đa thức bậc hai .Sai số đồng hồ vệ tinh gây thêm các sai số cho
đo đạc GPS. Các lỗi này ảnh hưởng chung đến mọi người dùng quan
sát cùng một vệ tinh và có thể loại bỏ bằng việc lấy sai khác giữa các
máy thu này.
11
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Hình 6: Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu
Cách khắc phục: Áp dụng việc sửa sai đồng hồ vệ tinh trong bản
tin dẫn đường này cũng có thể sửa chữa sai số đồng hồ vệ tinh. Tuy
nhiên, bỏ qua một lỗi vài ns sẽ dẫn đến sai số khoảng cách khoảng vài
m (sai số 1ns tương ứng với sai số khoảng cách là 30cm). Ngược lại,
các máy thu GPS sử dụng các đồng hồ tinh thể rẻ tiền, độ chính xác
nhỏ hơn nhiều so với các đồng hồ vệ tinh. Như vậy, sai số đồng hồ
máy thu lớn hơn sai số đồng hồ vệ tinh rất nhiều. Tuy nhiên, có thể
loại bỏ nó bằng cách lấy sai khác giữa các vệ tinh hoặc có thể coi sai

số này như một tham số chưa biết thêm vào trong quá trình dự đoán.
12
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
2.3 Lỗi đa đường
Phân tập đa đường là một nguồn lỗi nghiêm trọng cho cả đo đạc
pha sóng mang và khoảng cách giả. Lỗi đa đường xuất hiện khi tín
hiệu GPS đến anten máy thu theo nhiều đường khác nhau Những
đường này có thể là đường tín hiệu nhìn thẳng và tín hiệu phản xạ từ
các vật thể xung quanh anten máy thu. Phân tập đa đường làm méo tín
hiệu gốc qua sự giao thoa của tín hiệu phản xạ ở anten GPS. Nó ảnh
hưởng đến cả đo đạc pha sóng mang và khoảng cách giả; tuy nhiên,
ảnh hưởng đối với đo khoảng cách giả lớn hơn nhiều. Độ lớn của
phân tập đa đường pha sóng mang có thể đạt tới giá trị lớn nhất là 1/4
chu kỳ (khoảng 4.8 cm đối với pha sóng mang L1). Khoảng cách giả
đa đường theo lý thuyết có thể lên đến vài chục mét đối với đo mã
C/A.
Hình 7: Lỗi đa đường ở GPS
Cách khắc phục: Tuy nhiên, với những tiến bộ mới trong công nghệ
máy thu, khoảng cách giả đa đường thực tế giảm đi rất nhiều. Ví dụ
về những công nghệ này là bộ tương quan Strobe (Ashtech, Inc.) và
13
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
MEDLL (NovAtel, Inc.). Với những công nghệ làm giảm phân tập đa
đường này, lỗi phân tập đa đường của khoảng cách giả có thể giảm
xuống đến vài mét, thậm chí trong cả môi trường phản xạ mạnh.
Trong cùng một môi trường, có thể đánh giá lỗi đa đường bằng
cách sử dụng tương quan qua các ngày của phần dư dự đoán. Đây là
do cấu trúc hình học vệ tinh – vật phản xạ - anten lặp lại hằng ngày.
Tuy nhiên, lỗi đa đường trong các phép đo khoảng cách giả như
nhau có thể xác định được nếu sử dụng quan sát hai tần số. Người ta

vẫn chưa thể tìm ra một mô hình đa đường tổng quát tốt, chủ yếu là
do cấu trúc hình học vệ tinh - vật phản xạ - anten luôn thay đổi. Tuy
nhiên, có nhiều ý tưởng để giảm bớt ảnh hưởng của phân tập đa
đường. Phương án dễ dàng nhất là chọn vị trí quan sát không có vật
phản xạ ở gần anten thu. Một phương án khác để giảm ảnh hưởng của
phân tập đa đường là sử dụng một anten có vòng chêm (vòng chêm là
một mặt phẳng có nhiều vòng kim loại đồng tâm làm suy hao tín hiệu
phản xạ). Vì tín hiệu GPS được phân cực tròn quay phải trong khi tín
hiệu phản xạ quay trái, để làm giảm ảnh hưởng của phân tập đa
đường cũng có thể sử dụng anten với một bộ phân cực phối hợp cho
tín hiệu GPS (quay phải). Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp
này là tín hiệu phân tập đa đường cũng có thể trở thành phân cực
quay phải nếu phản xạ hai lần.
2.4 Biến đổi tâm pha anten
Máy thu GPS thu tín hiệu từ vệ tinh sau đó chuyển đổi năng lượng
này thành dòng điện, dòng điện này được xử lý bởi máy thu GPS.
Điểm mà tại đó tín hiệu GPS được thu về gọi là tâm pha của anten .
Thông thường, tâm pha không trùng với tâm vật lý (hình học) của
anten. Nó thay đổi tùy theo độ cao và phương vị của vệ tinh cũng như
cường độ của tín hiệu. Kết quả là gây thêm sai số khoảng cách cho
phép đo. Mức độ của sai số gây ra bởi tâm tâm pha thay đổi tùy theo
loại anten, thường là khoảng vài cm. Tuy nhiên, rất khó mô hình sự
biến thiên của tâm pha anten, vì vậy, cần phải chú ý khi chọn loại
anten . Đối với những đường ranh giới ngắn với cùng loại anten ở mỗi
đầu, sai số tâm pha có thể loại bỏ nếu các anten này cùng định
14
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
hướng . Pha trộn các loại anten khác nhau hay sử dụng định hướng
khác nhau sẽ không thể loại bỏ được sai số này. Do mức độ ảnh
hưởng nhỏ, sai số tâm pha anten có thể bỏ qua trong hầu hết các ứng

dụng thực tế.
Hình 8: Lỗi tâm pha ante
Cách khắc phục: Cần chỉ ra rằng lỗi tâm pha có thể khác nhau đối
với các sóng mang L1 và L2. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác
của việc kết hợp tuyến tính tự do tầng điện ly, đặc biệt khi quan sát
đường ranh giới ngắn. Đối với những đường ranh giới ngắn, sai số
tương quan lớn theo khoảng cách và đủ loại bỏ những sai khác. Vì
vậy, sử dụng đơn tần có thể thích hợp hơn đối với những đường ranh
giới trong kiểu tĩnh.
2.5 Nhiễu đo lường máy thu
Nhiễu đo lường máy thu do giới hạn của các linh kiện điện tử trong
máy thu gây ra. Một hệ thống GPS tốt cần có một mức nhiễu nhỏ.
Thông thường, một máy thu GPS sẽ tự kiểm tra khi người sử dụng bật
máy. Tuy nhiên, đối với những hệ thống GPS chính xác giá thành
cao, việc đánh giá hệ thống có thể rất quan trọng cho người sử dụng.
Có hai loại kiểm tra được thực hiện để đánh giá máy thu GPS (hệ
thống GPS): kiểm tra đường ranh giới 0 và kiểm tra đường ranh giới
15
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
ngắn .Kiểm tra đường ranh giới 0 được sử dụng để đánh giá hoạt
động của máy thu. Kiểm tra này liên quan đến việc sử dụng một
anten/ bộ tiền khuếch đại nối với một bộ chia để cung cấp tín hiệu cho
hai hay nhiều máy thu GPS. Nhiều vấn đề của máy thu như sai lệch
liên kênh và trượt chu kỳ có thể phát hiện qua cách kiểm tra này. Khi
sử dụng một anten, độ phân giải đường ranh giới bằng 0. Nói cách
khác, các giá trị khác 0 được gán cho nhiễu máy thu. Mặc dù kiểm tra
đường ranh giới 0 cung cấp các thong tin hữu ích cho máy thu, nhưng
nó không cung cấp thông tin về nhiễu anten/bộ tiền khuếch đại. Ảnh
hưởng của nhiễu máy thu đến sai số khoảng cách phụ thuộc vào chất
lượng của máy thu GPS. Giá trị trung bình của sai số khoảng cách gây

ra bởi nhiễu máy thu vào khoảng 0.6 m.
Hình 9: Các phân tích về sự cố và nhiễu loạn phụ thuộc nhiều vào
thông tin có thể được lấy từ các bản ghi hệ thống điện và các mô hình
Cách khắc phục: Để đánh giá chính xác hiệu suất của hệ thống GPS,
cần phải tính toán cả thành phần nhiễu của anten/ bộ tiền khuếch đại .
Việc này có thể thực hiện bằng cách sử dụng các đường ranh giới
ngắn ở khoảng cách vài mét, quan sát hai ngày liên tục. Trong trường
hợp này, hai lần phần dư sai khác của một ngày sẽ chứa nhiễu hệ
thống và ảnh hưởng của phân tập đa đường. Những sai số khác có thể
bỏ qua. Vì dấu hiệu của phân
tập đa đường lặp lại hằng ngày nên lấy hiệu hai lần phần dư sai khác
giữa hai ngày lien tiếp sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của phân tập đa
đường và chỉ còn lại nhiễu của hệ thống.
16
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
2.6 Trễ tầng điện ly
Ở tầng cao nhất của khí quyển, bức xạ tia cự tím và tia X từ mặt
trời tương tác với các phân tử và nguyên tử khí. Sự tương tác này gây
ra quá trình ion hóa không khí: một lượng lớn electron mang điện âm
và các nguyên tử, phân tử mang điện dương. Vùng không khí chứa
các khí đã bị ion gọi là tầng điện ly. Tầng điện ly ở độ cao từ 50 km
đến khoảng 1000 km hoặc hơn nữa. Thực tế, giới hạn trên của tầng
điện ly không được định nghĩa rõ ràng .
Mật độ electron trong tầng điện ly không phải là hằng số; nó thay
đổi theo độ cao. Như vậy, tầng điện ly được chia thành nhiều tầng
con, tùy theo mật độ electron. Những tầng này có tên là tầng D (50-90
km), E (90-140 km), F1 (140-210km), và F2 (210 –
1000 km), trong đó tầng con F2 là tầng có mật độ electron cao nhất.
Độ cao và chiều dày của các tầng này thay đổi theo thời gian, do sự
thay đổi của bức xạ mặt trời và từ trường trái đất. Ví dụ, tầng F1 biến

mất vào buổi tối và tồn tại lâu hơn vào mùa hè so
với mùa đông .
Tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó làm cong tín hiệu vô
tuyến GPS và thay đổi vận tốc của tín hiệu khi nó truyền qua các tầng
điện ly khác nhau để đến máy thu GPS. Uốn cong đường đi của tín
hiệu GPS gây ra sai số có thể bỏ qua, đặc biệt nếu
góc ngẩng của vệ tinh lớn hơn 50. Sự thay đổi vận tốc truyền tín hiệu
gây nên các sai số nghiêm trọng, và vì vậy cần phải được tính toán
đầy đủ. Tầng điện ly làm tốc độ của pha sóng mang vượt quá tốc độ
của ánh sáng, trong khi đó nó làm chậm mã PRN (và
bản tin dẫn đường) một lượng tương tự. Do đó, khoảng cách từ máy
thu đến vệ tinh sẽ quá ngắn so với khoảng cách thực nếu đo bằng pha
sóng mang và quá dài nếu đo bằng mã. Trễ tầng điện ly tỷ lệ với số
điện tử tự do trên đường truyền GPS, số điện tử này
gọi là lượng electron tổng (TEC). TEC phụ thuộc vào một số yếu tố:
(1) thời gian trong ngày (mật độ electron đạt cực đại vào đầu buổi
chiều và nhỏ nhất vào nửa đêm giờ địa phương); (2) thời gian trong
năm ( mật độ electron vào mùa hè cao hơn vào mùa đông); (3) chu
kỳ 11 năm của mặt trời (mật độ electron đạt cực đại sau khoảng 11
17
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
năm,cực đại này chính là cực đại nóng sáng của mặt trời gọi là cực
đại chu kỳ mặt trời – năm 2001 là cực đại của chu kỳ mặt trời thứ 23);
và (4) là vị trí địa lý (mật độ electron
nhỏ nhất ở vùng vĩ độ trung bình và không đồng đều ở các vùng cực,
và vùng xích đạo). Vì tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó gây
ra trễ phụ thuộc vào tần số. Tần số càng thấp thì trễ càng lớn: trễ tầng
điện ly của L2 lớn hơn L1. Thông thường,
trễ tầng điện ly khoảng từ 5m đến 15m, nhưng có thể vượt quá 150m
vào những lúc hoạt động mạnh của mặt trời, giữa trưa, và gần đường

chân trời. Như vậy, mật độ electron trong tầng điện ly thay đổi theo
thời gian và vị trí. Tuy nhiên, chúng có tương quan lớn ở khoảng cách
gần, và vì vậy lấy hiệu của kết quả quan sát giữa những người dùng ở
khoảng cách nhỏ có thể loại bỏ được phần lớn trễ tầng điện ly.
Hình 10: Độ trễ tầng điện ly và đỗi lưu
Cách khắc phục: Nắm bắt được những đặc điểm bản chất phân tán
của tầng điện ly, trễ tầng điện ly có thể xác định với độ chính xác cao
bằng cách kết hợp các phép đo khoảng cách giả
18
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
mã P trên cả L1 và L2. Tuy nhiên, mã P chỉ được truy cập bởi những
người sử dụng được phép. Với sự có mặt của mã C/A thứ hai trên L2
trong chương trình hiện đại hóa, giới hạn này sẽ được loại bỏ. Các
phép đo pha sóng mang L1 và L2 có thể kết hợp theo
một kiểu chung để xác định sự thay đổi của trễ tầng điện ly Những
người sử dụng máy thu hai tần số có thể kết hợp phép đo pha sóng
mang L1 và L2 để tạo ra sự kết hợp tuyến tính tầng điện ly tự do để
loại bỏ trễ tầng điện ly. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp kết
hợp tuyến tính tầng điện ly tự do là: nhiễu quan sát tương đối cao, và
nó không giữ cho các tham số chưa xác định ở giá trị nguyên. Do vậy
người ta khuyến cáo không nên sử dụng phương pháp kết hợp tuyến
tính tầng điện ly tự do cho các đường ranh giới ngắn. Những người
sử dụng đơn tần không thể tận dụng những ưu điểm của tính chất
phân tán của tầng điện ly. Tuy nhiên, sử dụng một trong các mô hình
tầng điện ly thực nghiệm có thể sửa được đến 60% trễ . Mô hình được
sử dụng rộng rãi nhất là mô hình Klobuchar, các hệ số của mô hình
này được truyền đi trong
bản tin dẫn đường. Một giải pháp khác cho những người sử dụng máy
thu GPS đơn tần là sử dụng sự sửa sai của mạng địa phương. Các tín
hiệu sửa sai có thể thu về theo thời gian thực thông qua các liên kết

thông tin.
2.7 Trễ tầng đối lưu
Tầng đối lưu là vùng không khí trung hòa về điện tính từ bề mặt trái
đất lên đến độ cao 50 km. Tầng đối lưu là môi trường không phân tán
đối với các tần số vô tuyến dưới 15 GHz. Tầng đối lưu gây trễ như
nhau đối với các sóng mang GPS và các mã.
Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu đo được sẽ lớn hơn khoảng cách
hình học thực tế, điều đó có nghĩa là khoảng cách đo được giữa hai
máy thu sẽ lớn hơn khoảng cách thực tế. Không giống như trễ tầng
điện ly, trễ tầng đối lưu không thể loại bỏ bằng cách kết hợp quan sát
L1 và L2. Điều này chủ yếu là do trễ tầng đối lưu không phụ thuộc
vào tần số. Trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, và độ
19
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
ẩm trên đường truyền trong tầng đối lưu. Tín hiệu từ các vệ tinh có
góc ngẩng nhỏ đi qua quãng đường dài
hơn trong tầng đối lưu so với các vệ tinh có góc ngẩng lớn hơn. Vì
vậy, trễ tầng đối lưu nhỏ nhất khi vệ tinh ở trên đỉnh đầu người sử
dụng và lớn nhất khi vệ tinh ở đường chân trời. Trễ tầng đối lưu gây
ra sai số khoảng 2.3 m ở đỉnh đầu, khoảng 9.3 m ở góc
ngẩng 15°, và khoảng 20 – 28 m ở góc ngẩng 5°.
Cách khắc phục: Trễ tầng điện ly có thể chia thành hai phần, khô
và ướt. Thành phần khô xuất chiếm 90% của trễ và có thể phát hiện
được với độ chính xác cao sử dụng các mô hình toán học. Thành phần
ướt của trễ tầng điện ly phụ thuộc vào lượng hơi nước trên đường
truyền tín hiệu GPS. Không giống như thành phần khô, thành phần
ướt không dễ dự đoán. Nhiều mô hình toán học sử dụng các phép đo
khí tượng bề mặt (áp suất khí quyển, nhiệt độ, áp suất hơi nước) để
tính toán thành phần ẩm. Tuy nhiên, thành phần ẩm ít tương quan với
các dữ liệu khí tượng bề mặt, làm giới hạn độ chính xác dự đoán.

Người ta thấy rằng việc sử dụng dữ liệu khí tượng mặc định (áp
suất 1010 mb, nhiệt độ 200độ C, độ ẩm tương đối 50%) cho kết quả
thỏa mãn hầu hết các trường hợp.
I.8 Sai số khoảng cách tương đương
Ta thấy rằng độ chính xác định vị GPS được đo bằng cách kết hợp
ảnh hưởng của các sai số phép đo không được mô hình và hình học vệ
tinh. Sai số phép đo không mô hình rất khó đo đạc từ vệ tinh này đến
vệ tinh kia, chủ yếu là do các góc nhìn khác nhau. Hơn nữa, sai số
khoảng cách đối với các vệ tinh khác nhau sẽ có một mức độ giống
nhau nào đó (tương quan). Để xác định cặn kẽ độ chính xác định vị
GPS mong muốn, chúng ta có thể áp dụng các kỹ thuật ước lượng như
phương pháp bình phương nhỏ nhất. Ước lượng bình phương nhỏ
nhất của vị trí người dùng cũng như ma trận hiệp biến của nó. Ma trận
hiệp biến cho ta biết cách thức xác định vị trí người sử dụng. Thực tế,
ma trận hiệp biến phản ánh sự kết hợp ảnh hưởng của sai số đo đạc và
hình học vệ tinh.
20
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Một cách đơn giản hơn để kiểm tra độ chính xác định vị có thể đạt
được thong qua việc đưa vào sai số khoảng cách tương đương
(UERE). Giả sử rằng sai số phép đo đối với tất cả vệ tinh đều được
xác định và độc lập với nhau thì UERE có thể được định nghĩa là căn
bậc hai của tổng các sai số và lệch vị trí như đã được đề cập ở các
phần trước. Nhân UERE với giá trị DOP thích hợp sẽ được độ chính
xác định vị GPS ở mức 1-σ . Để đạt được độ chính xác ở mức 2-σ ,
đôi khi gọi là 95% thời gian, chúng ta nhân kết quả này với hệ số hai.
Ví dụ, giả sử UERE = 8m đối với máy thu GPS độc lập, và giá trị
HDOP = 1.5, thì độ chính xác vị trí 95% = 8 x 1.5 x 2 = 24m.
21
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS

Kết luận.
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và tìm hiểu cả về lý thuyết
và thực hành em
đã thu được một số thành quả sau khóa luận của mình
- Nắm được lý thuyết cơ bản về hệ thống GPS, đó chính
là những đặc điểm về công nghệ GPS.
- Nắm được những khái niệm và giao thức cơ bản cơ
bản trong truyền thông GPS
- Nắm được lý thuyết cơ bản về hệ thống GIS và cách
số hóa một bản đồ số.
Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế, đồ án của em vẫn
còn nhiều thiếu sót và khuyết điểm, các ứng dụng hẹp, chí mang
tính chất nghiên cứu. Những thiếu sót có thể kể ra như:
- Chưa thành thạo trong lập trình C# nên thiết kế giao
diện hiển thị trên máy tính còn đơn giản.
- Cách trình bày chưa logic.
- Phạm vi nghiên cứu còn hẹp.
- Chưa nêu rõ được các lỗi nhỏ và cách khắc phục còn
phụ thuộc nhiều vào Internet.

22
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
23