Nghiên cứu về GPS và ứng dụng trong bản đồ số dùng phần mềm mapinfo

NHIÊM VU ĐỒ ÁN
••

Nghiên cứu về GPS và ứng dụng trong bản đồ số dùng phần mềm Mapinfo
Nội dung nghiên cứu gồm 3
chưomg Chương 1: Tổng quan về
GPS Chương 2: Nghiên cứu về GIS
Chương 3: ứng dụng trong bản đồ số và mô phỏng bằng phần mềm Mapinfo

1


LỜI CAM ĐOAN
Trong báo cáo này sử dụng những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thành lập
bản đồ do em tham khảo tài liệu và trực tiếp thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.s
Trịnh Thị Diệp. Những kết quả thu được là của riêng em và không sao chép nội
dung của bất kỳ đồ án khác.
Em xin cam đoan những kết luận trên là đúng sự thật, nếu sai lệch em xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm.
tháng 05 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quốc Hung

2


MUC LUC
••

3

DANH MUC HÌNH VẼ
•


THUÃT NGỮ VIẾT TẮT

Vlll


Tên

viết

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

tắt
GPS

Global Positioning System

MCS

Master Control Station

phòng Hoa Kỳ thành lập
Trạm điều khiển trung tâm

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

PRN

Pseudo Random Noise Code

Mã ồn giả ngẫu nhiên

C/A

Coarse/Acquistion Code

Mã giả ngẫu nhiên thô

p

Precision Code

Mã chính xác

WGS-

World Geodetic System

Hệ trắc địa toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu do bộ quốc

84
GIS
DGPS
GPS

Geographic Information System
Differential Global Positioning

Hệ thông tin địa lí
Đo cải chính phân sai

System
Real Time Kinematic GPS

Đo GPS động thời gian thực

Database Management System

Hệ quản trị cơ sở dữ liệu

RTK
DBMS

MỞ ĐẦU
Hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System)
đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam công nghệ GPS bắt đầu
được giới thiệu và ứng dụng 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.
Các bản đồ số có độ chính xác cao thường rất đắt tiền và hầu như không có
sẵn để dùng cho các ứng dụng trong đời sống hàng ngày như: dẫn đường du lịch,
chỉ dẫn đường đi trên xe hơi, lộ trình và thông báo trạm dừng xe bus....Vì vậy các

6


ứng dụng loại này thường dựa trên bản đồ số được số hóa từ bản đồ giấy có độ
chính xác không cao.
Hiện nay công nghệ GPS được ứng dụng vào công tác thu thập thông tin vị
trí càng trở nên phổ biến, đặc biệt là khi nó được kết hợp với các công nghệ khác
như công nghệ GIS và hệ thống viễn thông thì thực sự đã mang lại một cuộc cách
mạng trong cuộc sống hiện nay.
Với mục đích nghiên cứu làm chủ công nghệ, dưới sự hướng dẫn của cô
Trịnh Thị Diệp, em đã chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu về GPS và ứng
dụng trong bản đồ sổ mô phỏng bang Mapinfo”. Đây là tiền đề cho việc xây dựng
một hệ thống quản lý phương tiện giao thông cũng như hệ thống dẫn đường
phương tiện đường bộ sử dụng công nghệ GPS.
Thái Nguyên, tháng 05, năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Quốc Hưng

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ GPS
1.1.

Giới thiệu chung

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống xác

định vị trí dựa trên các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí trên
mặt đất nếu xác định được khoảng cách đến 3 vệ tinh (tối thiểu) thì sẽ tính được tọa
độ của vị trí đó.
GPS được thiết kế và quản lý bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ
Hoa Kỳ cho phép mọi người trên thế giới sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch
nào.
Khái niệm định vị (Positioning) dùng để chỉ khả năng xác định được vị trí
của một đối tượng gắn với hệ tọa độ không gian nhất định.

7


Khái niệm dẫn đường (Navigaiton): Dùng để chỉ khả năng có thể dẫn dắt
một đối tượng dịch chuyển trong không gian từ điểm A đến điểm B. Để dẫn đường
được đối tượng trước hết phải định vị được điểm đó.
Giai đoạn trước chiến tranh thế giới thứ 2: Trong giai đoạn này, khả năng
định vị và định hướng phụ thuộc chủ yếu vào quan sát các vì sao khi trời quang
đãng hay la bàn, kết hợp với bản đồ.
Giai đoạn chiến hanh thế giới thứ hai: Người ta phát triển hệ thống mặt đất
định vị vô tuyến GEE của Anh để định vị máy bay và LORAN của Mỹ để định vị
tàu thủy.
Giai đoạn từ nửa sau của thế kỷ XX đến nay: Sự phát triển của công nghệ vệ
tinh, vi điện tử, phổ băng tần đã tạo ra những điều kiện để thực hiện ý tưởng định vị
nhờ vệ tình. Tuy nhiên, mãi đến năm 1995 hệ thống GPS của Mỹ mới chính thức đi
vào hoạt động.
Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu được sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau như: điều ha nguồn tài nguyên, lập các bản đồ, giao thông, xây dựng....Đặc
biệt từ sau khi bộ quốc phòng Mỹ bỏ sai số cố ý gây nhiễu thì độ ch ính xác của các
dữ liệu thu thập được là rất cao, đáp ứng được nhiều mục đích sử dụng.
Trên thế giới, hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ được sử dụng rộng rãi

nhất, bên cạnh đó còn có một số hệ thống như GLONASS của Nga, GALILEO của
Liên minh Châu Âu. Trong đó, GPS và GLONASS ra đời và phát triển chủ yếu
phục vụ mục đích quân sự, còn GALILEO phục vụ cho mục đích dân sự.
Thông số

GPS

GLONASS

Số vệ tinh
Sô quỹ đao

24
6

24
3

Bán kính của quỳ đạo

26,540km

25.510km

Chu kỳ quỷ đạo

1 Ỉh58 phủi

1 lh 15 phut

Elipsoid tham chiêu

WGS84

SGS 85

Bảng 1. 1 So sảnh một số thông số kỹ thuật của hệ GPS và GLONASS
1.2.

Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu

8


Hệ thống định vị toàn cầu có cấu trúc gồm 3 phần: Phần điều khiển, phần vũ
trụ (phần không gian, vệ tinh) và phần sử dụng. Mối quan hệ giữa 3 phần này rất
mật thiết, quyết định đến khả năng hoạt động, độ chính xác của các dữ liệu thu thập
được.

Hình 1.1 Các thành phần cấu tạo của hệ thống GPS
1.2.1.

Phần điều khiển (Control segment)

Phần điều khiển đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống GPS, vì đây là bộ phận
có chức năng tính toán, xác định vị trí của vệ tinh thông qua các trạng thái của vệ
tinh, được truyền đi bằng tín hiệu từ vệ tỉnh về trạm, sau đó thông số về tọa độ của
vệ tinh lại được truyền lại cho vệ tinh để nó truyền về các máy thu.
Các trạm điều khiển mặt bao gầm một ừạm điều khiển trung tâm (Master
Control Station-MCS) đặt tại căn cứ không quân Schrỉever, Colorado spring (Mỹ),

5 trạm giám sát và 3 trạm dẫn động. Ba trạm dẫn động đặt tại 3 căn cứ quân sụ của
Mỹ: đảo Ascension (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ắn Độ Dương), Kwajalein
(Thái Bình Dương). 5 trạm giám sát: một ừạm đặt tại vị trí trạm điều khiển trung
tâm (trạm điều khiển chính), một trạm đặt tại Hawaii và 3 trạm đặt tại vị trí các
trạm dẫn động. Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất và được nối
với nhau bằng đường cáp điện.
Bộ phận điều khiển trên mặt đất mô tả như hình 1.2. Các trạm giám sát
không cần người trông coi, chịu sự kiểm soát của trạm điều khiển trung tâm, có
nhiệm vụ thu thập thông tin từ vệ tinh, liên tục kiểm soát vị trí vệ tỉnh, cập nhật

9


thời gian và cung cấp lịch sao cho vệ tỉnh dùng để đảm bảo sự đồng bộ thời gian
với thời gian chuẩn và vị trí trên ữái đất. Các dữ liệu này được truyền về trạm điều
khiển trung tâm.

Hình 1.2 Cấu trúc bộ phận điều khiển của hệ thống vệ tình GPS

Global Positioning System (GPS) Master Control and Monitor Station Network

Hình 1.3 Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên trái đất Trạm điều
khiển trung tâm có nhiệm vụ tiếp nhận, xử lý các thông tin, sai số dữ liệu .. .từ các
trạm giám sát truyền về và cập nhật, hiên tập các bản tin đạo hàng, cung cấp thời
gian chuẩn, tính toán các thông số vệ tỉnh, đưa ra các lệnh điều khiển ... rồi truyền
chúng đến các trạm dẫn động, định giờ phát đến các vệ tinh GPS. Thông tin tính
toán bởi trạm MCS, cùng với các mệnh lệnh duy trì thường xuyên được truyền bởi
anten xoay trên mặt đất. Anten này toạ lạc tại đảo Ascencion, Diego Garcia và
Kwajalein. Anten có đủ phương tiện để truyền đến vệ tỉnh theo đường liên kết sống
vô tuyến dải tần s.

1
0


Hình L4 Nguyên tắc hoạt động của các trạm điều khiển

1
1


1.2.2.

Phần không gian (Space Segment hay phần vũ trụ)

Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tin hiệu về thời gian
và vị trí tói bộ phận người dùng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm
sao”. Hệ thống gồm 24 vệ tỉnh quay xung quanh trái đất hai lần trong ngày, với quỹ
đạo rất chính xác. Độ cao vệ tinh so với mặt đất là 20183 km, chu kỳ quay quanh
trái đất là 1 lgiờ 57 phút 58 giây, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng
với xích đạo một góc 55°. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và
mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh trên 15 độ, nếu ở góc
ngưỡng 10 độ thì có thề quan sát được 10 vệ tỉnh và ở góc ngưỡng 5 độ có thể quan
sát được 12 vệ tinh. Mỗi vệ tính truyền trên 2 dải tần số: LI có tần số 1575.42 MHz
và L2 có tần số 1227.6 MHz. Tủi hiệu LI mang mã p (precise code) và mã C/A
(coarse/acquisỉtíon code). L2 chỉ mang mã p.

Hình ỉ. 1 Quỹ đạo các vệ tình GPS
Cấu tạo của vệ tính bao gồm: Phần cung cấp năng lượng (các tấm pin năng
lượng mặt trời), bộ phận xử lý thông tin, bộ phận thu phát tín hiệu. Trước khi phóng

lên quỹ đạo, khối lượng vệ tỉnh là 1600kg, và khi đã chuyển động lên quỹ đạo thì
khối lượng chỉ còn một nửa, mỗi vệ tính lại được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử để
thực hiện các phép đo đạc, năng lượng sử dụng là năng lượng mặt trời.


Hình 1.2 Vệ tinh
Các vệ tinh làm nhiệm vụ ghi nhận và lưu trữ các thông tin được truyền đi từ
phần điều khiển, xử lý dữ liệu có chọn lọc trên vệ tinh, duy trì độ chính xác cao của
thời gian bằng các đồng đồ nguyên tử, chuyển tiếp thông tin đến người sử dụng,
thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển từ mặt đất.
1.2.3.

Phần sử dụng (User Segment)

Gồm những máy thu tín hiệu GPS được chế tạo khác nhau để phục vụ cho
từng mục đích khác, những máy này có anten riêng (máy đinh vị), các thiết bị tự ghi
(bộ ghi số liệu) và máy tính (phần mềm xử lý số liệu).
Máy thu GPS tính toán đơn vị vói tần suất mỗi giây một vị trí và cho độ
chính xác từ 1-5 mét. Khi ta di chuyển hay dừng tại chỗ, máy thu GPS nhận tín hiệu
từ vệ tỉnh rồi tính toán định vị. Kết quả tính được là tọa độ hiển thị trên màn hình bộ
ghi số liệu.
Bộ ghi số liệu là máy cầm tay có phần mềm thu thập số liệu. Bộ ghi số liệu
có thể ghi vị trí hoặc gắn thông tin thuộc tín với vị trí máy tính, phần mềm xử lý số
liệu: Hệ thống GPS có kèm theo phần mềm thu thập số liệu. Sau khi thu thập số liệu
ở thực địa, phần mềm chuyển sế liệu vị trí và thông tín thuộc tính sang máy tính.
Sau đó phần mềm sẽ nâng cao độ chính xác bằng kỹ thuật phần sai.
Phần mềm xử lý số liệu GPS còn có chức năng biên tập hoặc vẽ. Phần mềm
này cũng hồ trợ thu thập các yếu tố địa lý và thông tin thuộc tính cho GPS hoặc các
cơ sở dữ liệu khác.

Hình 1.3 Phần thiết bị sử dụng dẫn đường GPS
- Những bộ phận chỉnh của máy thu GPS
- Anten: Hiện nay chủ yếu là anten đa hướng. Yêu cầu đật ra là tâm điện tử
phải trùng vóti tâm hình học của nó, thêm vào đó anten phải có khả năng tự loại bỏ
hoặc hạn chế được hỉậu úng đa đường.
- Bộ tần số radio: Là bộ phận dừng để phân loại tín hiệu của từng vệ tinh và
duy trì việc theo dõi tín hiệu đó.
- Bộ vi xử lý: Được sử dụng để tinh toán các giá trị về đo khoảng cách từ
máy thu đến vệ tinh,...
- Thiết bị đỉều khiển: Được đùng để phối họp hoạt động của máy thu, các
lệnh được lập trình sẵn và được đưa vào máy thu bằng các phún chức năng.
- Thiết bị ghi: Dùng để lưu trữ lại các thông tin sau khỉ đã được xử lý, tính
toán, (có các loại bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài).
- Nguồn năng lưọng: Là bộ phận cung cấp năng lượng cho cho máy có thể
hoạt động bình thường.
1.3.

Thành phần tín hỉệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng
mang được điều chế bởi 2 loại mã (mã C/A và mã P) và thông tin định vị. Hai sóng
mang được phát ra với tần số 1,575.42MHz (sóng mang băng tần L) và
1,227.60MHz (sóng mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và
24.4cm.Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống
GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyền, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong


phần sửa lỗi hệ thống. Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang LI và
L2. Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau.

Hai loại mã được dùng là mã C/A và mã p. Mỗi mã bao gồm một nhóm số
nhị phân 0 và 1 gọi là các bit. Các mã thông thường được biết đến là mã PRN Pseudo Random Noise (mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tạo ra
một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng
được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng
tần LI còn mã p được được điều chế ở cả 2 băng tần LI và L2. Việc điều chế này gọi
là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 độ khi giá trị mã thay đổi từ 0
—»1 hay từ 1—»0.
Mã C/A là 1 luồng bít nhị phân của 1023 số nhị phân và lặp lại bản thân
chúng trong mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1.023Mbps.
Hay theo cách khác,chu kỳ của một bit xấp xỉ lms hay tưomg đưomg với 300m.
Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã p nhưng nó ít phức tạp và
được cung cấp cho tất cả người sử dụng.
Mã p là 1 một chuỗi dài các số nhị phân ,nó lặp lại bản thân nó sau 266
ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A (tốc độ là 10.23MBps). Nhân với
thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10.23Mbps suy ra mã p
là một luồng gồm 2.35xl014chip, mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn, mỗi đoạn là
1 tuần, 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh phát ra 1
đoạn- tuần của mã p,chúng được khởi tạo vào nửa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật
hàng tuần, 6 đoạn còn lại để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã p được
thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử
dụng vào ngày 31/1/1994. Ở thời điểm đó mã p được mã hóa bằng việc thêm vào nó
1 loại mã

w. Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y và nó có tốc

độ chip giống với mã p.
1.3.1.

Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là LI và L2 (LI là
1575,42MHz, L2 là 1227,60MHz). Sóng mang của tín hiệu LI gồm 1 thành phần
cùng pha và một thành phần vuông pha. Thành phần cùng pha là hai pha được điều


chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên đuợc gọi là mã C/A bao
gồm 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu ky là lms và 1 tốc độ xung nhịp 1.023MHz.
Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps
nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên
được gọi là mã p, nó có xung nhịp là 10.23MHz và chu kỳ là 1 tuần.
Biểu thức toán học của sóng LI là:
s(t) =yf2Pjd(t) cos((ùt + 6) +a/2PQd(t)p(t)sin(ú)t + 6)
Trong đó :
- Pj là công suất của thành phần sóng mang cùng pha.
-

Pq là

công suất của thảnh phần sóng mang vuông pha.

- d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps.
- c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên.
- Li là tần số sóng mang.
- ớ là độ dịch pha.
Công suất sóng mang vuông pha PQ ít hơn xấp xỉ 3db so với PiTrái ngược với tín hiệu Ll, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu
50bps và mã p.
Biểu thức toán học của tín hiệu L2:
s(t) =yfĩpọd(t)p(t) sin(ú)t + 0)
1.3.2.

Thông điệp từ chuỗi dữ liệu 50bps

Chuỗi dữ liệu 50bps chuyên trở thông điệp dẫn đường, nó bao gồm nhiều
thông tin và không giới hạn. nó bao gồm những thông tin sau:
- Dữ liệu vệ tinh niên giám. Mỗi vệ tinh truyền dữ liệu trong không gian
được gọi là niên giám. Nó cho phép người sử dụng tính toán vị trí của mọi vệ tinh
trong chòm sao GPS tại bất ký thời điểm nào. Dữ liệu niên giám không đủ chính
xác để xác định vị trí nhưng có thể được cất giữa trong một thiết bị thu ở đâu đó, nó
lưu lại ừong vài tháng. Nó chủ yếu được dùng để xác định vệ tinh rõ ràng tại 1 vị trí
bất kỳ.


- Dû liêu vê tinh thiên van. Dû lieu thiên van cung tuong tu nhu dû lieu niên
giâm nhirng nô cho phép xâc dinh vi tri vôi dô chinh xâc cao horn, dé cân dupe
chuyén dôi su trê lan truyèn trong viêc uoc lupng vi tri cua nguori dùng.
- Dû liêu vè theri gian. Chuôi dû liêu 50bps bao gôm su danh dâu thèfi
gian, dupe sù dung dé thiét lâp thori gian truyèn din cua nhûng diém trên tin hiêu
GPS. Thông tin này cân xâc dinh dupe dô trê vè thoi gian lan truyèn tin hiêu tir vê
tinh toi nguori sù dung.
- Dû lieu trê do tâng diên ly.
’
'FRAME1
[NO.
|

FRAME = 1500 BITS ©> 50 BPS
= 5 SOD-FRAMES
SUB-FRAME = 300 BITS @ 50 BPS

ELAPSED

TIME
(SEC)

o 3Q 60 -é-------------------------------------- BIT NUMBERS-------------------—- 300
---------1--------1--------Y-------1--------1--------1--------1--------

TLM HOW

CLOCK CORRECTION
300 330 360 -«-------------------------------- Bit Numbers ------------------------►

r

6

~i 600

I2i T L M H O W

Ephemeris of Transmitting Satellite

LJ

12

600 630 660 —------------ ■ - -—— BiT NUMBERS --------------------------- 9Q0
1 3 TLM HOW
18
Ephemeris of Transmitting Satellite
1

.900 930 960 -«----------- --------- ---------•_ Bit Numbers :-------- ------------»r “I

1200
r -«
141 T L M H O W

J

r

n

Messages, Ionosphere, U T C , etc.

1200 1230 1260-•----------------------------Bit
--------------------------------------------------► I S O O

151 T L M H O W

- -

l

r ”i

Numbers

Almanac, Health Status, etc.

TLM = TELEMETRY WORD

24

30

H O W — HAND-OVER WORD

Thông diêp vè tinh trang cua GPS.

1.3.3.
Câu trûc mçt thông âiçp
Thông tin trong thông diêp dan huong cô câc câu truc khung co bàn.
in
L. J

Fig. 3.3 Navigation message frame structure.

Hinh 1.4 Câu true khung dü liêu cua tin hiêu GPS Mot thông diêp dày dü gôm cô
25 khung (frame), môi khung chüa 1500bit, môi 1 khung dû liêu lai dupe chia
làm câc khung con 300bit. Môi khung con bao gom 10 tir và moi tir là 30 bit.

il


Nhu vây, vôd toc dô truyèn 50bps nô phài mât 6s dé truyèn 1 khung dü liêu
con (subframe) và 30s dé hoàn thành mot

il

khung dữ liệu (frame). Đe fruyen hoàn thành 25 khung thông điệp thì yêu cầu cần
tới 750s .
1.4.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

1.4.1.

Nguyên lý định vị GPS

Dựa trên cơ sở hình học, nếu ta biết được khoảng cách và toạ độ của ít nhất
4 điểm đến 1 điểm bất kỳ thì vị trí của điểm đó có thể xác định được một cách chính
xác. Giả sử rằng khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ nhất là dl, điều ấy có nghĩa
là máy thu nằm ở đâu đó trên mặt cầu có tâm là vệ tinh thứ nhất và bán kính mặt
cầu đó là dl. Tương tự nếu ta biết khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 2 là d2 thì
vị trí máy thu được xác định nằm trên đường tròn giao tiếp của hai mặt cầu. Nếu
biết được khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh thứ 3 thì ta có thể xác định được vị trí
máy thu là một trong hai giao điểm của của đường tròn trên với mặt cầu thứ 3.
Trong hai giao điểm đó có một giao điểm được loại bỏ bằng phương pháp nội suy.
Tuy nhiên, nếu ta lại biết được khoảng cách từ máy thu đến một vệ tinh thứ 4 thì ta
có thể hoàn toàn xác định chính xác vị trí của máy thu.
Đe xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh ta sử dụng công thức sau:
d=V.At
-

Trong đó:
Y: Là vận tốc lan truyền sóng điện từ và được tính bằng tốc độ ánh sáng.
Àt: Là thời gian sóng điện từ đi từ máy phát đến máy thu.
Tuy nhiên, qua cách tính trên ta mới xác định được vị trí của máy thu trong

không gian, để biết được vị trí của máy thu so với mặt đất chúng ta cần phải sử
dụng các thông tin khác.
Các vệ tinh GPS được đặt trên quỹ đạo rất chính xác và bay quanh trái đất
một vòng trong 11 giờ 58 phút nghĩa là các vệ tinh GPS bay qua các trạm kiểm soát
2 lần trong một ngày. Các trạm kiểm soát được trang bị các thiết bị để tính toán
chính xác tốc độ, vị trí, độ cao của các vệ tinh và truyền trở lại vệ tinh các thông tin
đó. Khi một vệ tinh đi qua trạm kiểm soát thì bất kỳ sự thay đổi nào trên quỹ đạo
cũng có thể xác định được. Những nguyên nhân đó chính là sức hút của mặt trời,
mặt trăng, áp suất bức xạ mặt trời...w. Yệ tinh sẽ truyền các thông tin về vị trí của
nó đối với tâm trái đất đến các máy thu GPS (cùng với các tín hiệu về thời gian).

19


Các máy thu GPS sẽ sử dụng các thông tin này vào trong tính toán để xác định vị
trí, toạ độ của nó theo các kinh độ và vĩ độ của trái đất. Mô hình toán học của trái
đất được dùng trong hệ thống GPS được gọi là hệ trắc địa toàn cầu WGS-84 (World
Geodetic System 1984).
1.4.2.

Xác định khoảng cách giả để

định vị CL Định nghĩa khoảng cách
giả
Khoảng cách giả là khoảng cách đo được từ máy thu GPS đến vệ tinh
(thường được tính bằng mét). Trong phần nay ta nên hiểu khoảng cách giả (tựa cự
ly) đồng nghĩa với thời gian, bởi vì thời gian cần thiết để sóng điện từ lan truyền từ
vệ tinh đến máy thu đồng nghĩa với khoảng cách được tính theo công thức: d=V.Át.
Vấn đề ở đây là phải tính được thời gian lan truyền chính xác.
Thuật ngữ “tựa cự ly” được sử dụng, bởi vì phép đo khoảng cách có sai số.

Để thời gian được xác định chính xác giữa hai vị trí thì các đồng hồ phải được đồng
bộ với nhau. Các đồng hồ giữa các vệ tinh được đồng bộ, nên khoảng cách giữa
chúng là khoảng cách thật, nhưng đồng hồ của máy thu không được đồng bộ với
đồng hồ của vệ tinh. Điều này gây ra một sai số và chỉ có thể giải quyết được bằng
các phưomg pháp toán học.
b. Xác định vị tri từ các khoảng cách giả
Giả sử rằng đồng hồ máy thu được đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh và
không có độ trễ tín hiệu ở tầng điện ly, tầng đối lưu và không có sai sót trong đo đạc
thì việc xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh sẽ rất đơn giản. Như vậy chúng
ta có thể xác định được vị trí của máy thu đó là điểm nằm trên mặt cầu có tâm là vệ
tinh và có bán kính là khoảng cách đo được.
Giả sử đồng hồ của máy thu luôn được đồng bộ với các đồng hồ của vệ tinh,
nhưng giả thiết đó không thể xảy ra trong thực tế. Khi máy thu GPS được bật lên thì
đồng hồ của nó đã mất đồng bộ với đồng hồ trên vệ tinh. Hơn nữa các đồng hồ
nguyên tử trên vệ tinh luôn được đồng bộ với nhau theo một hệ thời gian chuẩn gọi
là thời gian GPS. Máy thu thực hiện việc đo khoảng cách sẽ bị chậm vì

20


đồng hồ của máy thu và đồng hồ của vệ tinh có sai số do đó khoảng cách đo được là
giả. Với sai số về thời gian là lms thì sai số khoảng cách đo được là 300km. Điều
này không thể chấp nhận được. Do vậy người khai thác hệ thống phải có nhiệm vụ
đồng bộ các đồng hồ vệ tinh bằng cách thường xuyên chuyển cho chúng các lệnh
hiệu chỉnh từ mặt đất. Máy thu GPS từ mặt đất sử dụng các giá trị hiệu chỉnh này để
hiệu chỉnh lại khoảng cách giả đo được.

MONITOR SlầTIO*

'USCS Delcnu Satel le Communication System

GROUND AMCNNA

21


Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS a guyên lý
hoạt động thể hiện qua (hình 1.9). Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các
vị trí chính xác của người dùng và được đo theo phép tam giác đều. Đe thực hiện
phép tam giác đều, GPS đo khoảng cách thông qua thời gian hành trình của bản tin
vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất. Đe đo thời gian hành trình, GPS sử
dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh. Một khi khoảng cách tới vệ tinh đã
được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trong không gian sẽ được sử dụng để
hoàn thành tính toán. Các máy thu GPS trên mặt đất có một “cuốn niên giám” được
lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệ tinh sẽ có mặt nơi nào
trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào. Các máy thu GPS sẽ tính toán các thời gian
trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép đo vị trí. Để
bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốn đồng
hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây, ẩ hằm tiết kiệm
chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi chút.
Bù lại, một phép đo tầm hoạtđộng vệ tinh được trang bị thêm. Phép đo lượng giác
chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian ba
chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó.
Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu. Khối mặt
đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Ngay như tại tốc
độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể mới tới được máy
thu. Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được
thu nhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh.
1.5.

Điều chế và gịải điều
chế GPS 1.5.1. Điều chế tín
hiệu GPS

Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK.
-

Với tần số sóng mang LI : 1.575,42 Mhz (băng L).

-

Mức công suất tối thiểu: -160 dBw tại bề mặt trái đất.

-

Mã nhiễu giả ngẫu nhiên PRN C/A có tần số 1.203 Mhz, chu kỳ lms.

-

Sóng mang LI được điều biến bằng cả hai mã (mã C/A và p hoặc Y).

22


-

Sóng mang L2 được điều biến bằng mã p hoặc mã Y.

-

Các mã được điều biến trên sóng mang theo phương thức điều chế BPSK.
Điện văn vệ tinh dưới dạng dữ liệu số tốc độ 50b/s được cộng mô-đun 2

với mã C/A để điều chế trên sóng mang Li. Điện văn vệ tinh sẽ được các máy thu
giải mã và dùng để xác định vị trí theo thời gian thực.

Hình 1.6 Sơ đồ điều chế GPS
1.5.2.

Giải điều chế GPS

TÚI hiệu sóng mang GPS đi đến 2 bộ nhân, 2 bộ nhân để thực hiện giải điều
chế. Lọc vòng: lọc điện áp từ lối ra của bộ nhân để đua vào điều chỉnh tần số và pha
của bộ dao dộng YCO.
Bộ nhân thứ 3 mục đích để tìm kiếm sai pha giữa sóng mang 2 BPSK và
sóng mang khôi phục. Kết quả sai pha sẽ thể hiện bằng điện áp lỗi.

Hình 1.7 Sơ đồ giải điều chế GPS

23


1.6.

Các phưong pháp định vị bằng hệ
thống GPS 1.6.1. Phép định vị tình và định vị
động

Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể
chuyển động. Mặc dù trị quan ữắc là như nhau, nhưng trên thực tế do anten tĩnh

hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn.
Nếu anten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác
nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo
và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi anten chuyển động
chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (fix) tức thời, (thông thường từ 4 cự
ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư thừa.
Trong trường hop định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một kết
quả theo thời gian thực, trong đó mỗi trị quan trắc mới đều được xử lý sao cho có
thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các trị quan
trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc công tác ngoài trời. Chúng ta gọi là nghiệm
xử lý sau (postprocessed solution).
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời
gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí (fix) tại một thời điểm. Một
chuỗi các kết quả tại những chỉ định này (lộ trình rời rạc của phưomg tiện lưu
thông) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số những thủ thuật tiếp cận
bằng đường cong trơn.
1.6.2.

Phép định vị tương đối

Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương
đối. Trong kiểu đo này, hai anten cùng hai máy thu tương ứng được đặt tại hai đầu
của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt được độ chính
xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các cự ly quan trắc
thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại hai đầu của đường
đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể
khi xác định trị số định vị tương đối.

24

Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi
thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng bán động
(relative semi kinematic positioning). Ý tưởng của kiểu đo này là sử dụng một máy
tĩnh và một máy di động lang thang xung quanh. Nếu không xuất hiện trị số trượt
chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính xác tốt hơn 1 chu kỳ
(20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị số định vị tương đối giữa
máy thu tĩnh và máy thu lang thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý:
- Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều
của số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.
- Mở ra một phạm vi rộng hơn ừong ứng dụng phép định vị GPS: lập tam
giác ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.
1.6.3.

Phép định vị nhiều máy thu

Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi một
số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, một mạng
lưới luôn có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số đo dư
thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện được xác định
bằng phương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để kiểm soát ảnh hưởng
của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong các
trị quan trắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết
các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính
xác của các trị số định vị.
Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác
thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên
quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn cảnh như
vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để đạt độ chính
xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất.

1.6.4.

Phép định vị động tương đối

Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thì các phép
định vị điểm mô tả trước đây có thể không đủ sử dụng. Khi đó, cần phải dùng tới
khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối. Ý tưởng chính của phép đo này

25