Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.19 MB, 101 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DL KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
0 ề tài:
NG H IÊN c ứ u HỆ THỐNG Đ ỊN H V Ị TOÀN CÀU GPS
GVHD
SVTH
LỚP
MSSV
: TS. HỒ NGỌC BẠ__
: ĐẶNG ĐỖ ĐÌNH ĐẠT > ------: 00ĐĐT01
: 00ĐĐT033
T M f v iẹ *
*
Tp Hồ ChlMĨnh 1- 2005
HOCIÁODVK-ADÀỌTẠỌ
TKƯONL tụt UỌL 1)1.lõvntuẢ t cõnc NOIIÌ:
i:-0N(.: l i IA XÃ II!Í)Ì Cllù NOIIĨA VIIiV'■NAIM
l)iV L;Ì|1 ■ ''/!).• ■ Ihmii ri,la'
KHOA 1)1 (ÍN - 1)1 í1',N T tI
'
..............."
NiníỊrví v ụ l u ậ n ÁN T ( ) T N Cỉ ĩ í 11,0ỉ* •
C l i ú í : -SV |.:>;íi ili>m: liiin
Hụ và nhi s v
N ^àiih
1.
:
~ £ ò ỉ - k l IU»
n a y v à n 11IIm : ll
nlmI I ii.1
lim II lí II
* I SSV - 0
°
r ơ
"
: .........................................
Đíỉu ílổ luiìo iln tốt
.......... Ặ / ^ LrẮ)?
.............. .
Iiliiúin MI
:
,
u ĩứ ' Ẫ ỉ
'
3. Ngny gii'0 liliiộm vụ luộn.ón : Oi/.¿O/^ẴdOƯ
4. Nị-ìiy liồn t hị nh nlíiộm vụ : O b / O ^ Ị ^ C l ù S
s. llụ tCn người hưứng (1*10 :
ừaV tX '
vĩ
■ .
IMiíÌh lưng (lẫn
I/..............
2/......... 7 rĐ àti h ị '
í
. V .......................................
Nội dung vìt u dìu LAI N dụ dược thong I|iin.
Ngày...... tháng...... . iVi3.il) 200...
THƯỞNG KIIOA
iKv li) yhi nl họ h‘iii
.............
NGƯỜI HƯỚNG DẨN CHÍNH
(Kỳ Ịii I‘tu /ị lu* lịUi)
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DAN
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG Đ ỗ ĐÌNH ĐẠT
Lớp
: 00ĐĐT01
Mã số sinh viên
: 00ĐĐT033
Ngành
: Điện tử - Viễn Thông
Tên đề t à i: Nghiên
cứu hệ thơng định vị tồn cầu GPS
Ngày
tháng
năm 2005
Giáo viên hướng dẫn
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG Đ ỗ ĐÌNH ĐẠT
Lớp
: 00ĐĐT01
Mã sơ" sinh viên
: 00ĐĐT033
Ngành
: Điện tử - Viễn Thông
Tên đề t à i: Nghiên
cứu hệ thơng định vị tồn cầu GPS
Ngày
tháng
năm 2005
Giáo viên phản biện
NH ẬN XÉT CỦA HỘI Đ ồ N G G IÁ M KHẢO
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG Đ ỗ ĐÌNH ĐẠT
Lớp
: 00ĐĐT01
Mã số sinh viên
: 00ĐĐT033
Ngành
: Điện tử - Viễn Thông
Tên đề t à i: Nghiên
cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS
Ngày
tháng
năm 2005
Hội đồng giám khảo
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình làm Đồ
án tốt nghiệp với khoảng thời gian
ngắn em đã được sự hướng dẫn tận
tình của Thầy Hồ Ngọc Bá, Thầy đã
tạo điều kiện để em làm quen với
một hệ thống vệ tinh mới ngồi
những kiến thức của Bộ mơn Điện
tử - Viễn thơng mà em đã được
trang bị trong quá trình học của
mình. Em gửi lời cảm ơn chân tình
tới Thầy đã đơn đơc, nhắc nhở em
trong q trình làm Đồ án này, Thầy
đã tận tình giúp đỡ em tìm kiếm
nguồn tài liệu để phục vụ cho nhiệm
vụ làm Đồ án tốt nghiệp. Một lần
nữa em thật sự biết ơn về những gì
Thầy đã làm cho em trong khoảng
thời gian vừa qua và kính chúc Thầy
thật nhiều sức khoẻ.
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS.
( Global Positioning System)
_________________
LỜI NĨI Đ Ầ U
\
t>-vvíỊ
^ J\
1
ỶỔíSự tiến bộ của khoa học kỹ thuật làm cho xã hội ngày càng không
ngừng phát triển về nhiều mặt. Một trongmhữụg sự tiến bộ của xã hội là về
mặt cơ sở hạ tầng giao thơng vận tải,cùng3kie^đó các loại phương tiện giao
thông cũng không ngừng được cải tiến và phát triển. Trên đà phát triển như
vậy thì một vấn đề đặt ra là làm thế nào có thể kiểm soát được các phương
tiện này một cách hiệu quả mà không cần phải sử dụng nhiều đên nguồn lực
con người, một ví dụ nhỏ để minh họa cho sự phát triển quá nhiều các loại
phương tiện giao thông trên mặt đất đó là tình trạng kẹt xe và làm thế nào để
giải quyết vấn nạn kẹt xe và tránh xảy ra tình trạng ùn tắc giao thơng đó là
việc cần phải sử dụng một hệ thống dẫn đường và dẫn hướng đi trên mọi loại
địa hình và trong mọi loại thời tiết hệ thơng đó được gọi là Hệ thơng định vị
tồn cầu GPS( Global Positioning System). Hệ thống này có thể dẫn đường
đi cho các loại phương tiện trên mặt đất chỉ bằng một máy thu định vị và một
bản đồ điện tử và cũng có thể trong một tương lai không xa viẹfcdi chuyển của
con người bằng ô tô, xe lửa, xe điện... sẽ không cần người lái mà chỉ cần một
máy thu định vị sẩn lộ trình cho phương tiện, phương tiện sẽ dựa vào các tín
hiệu dẫn đường này mà hồn tất lộ trình một cách chính xác. Ngồi ra hệ
thống này cịn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như: đo đạc bản
đồ, tìm kiếm cứu nạn, dẫn đường hàng hải trên biển, giao thông hàng
không..., hệ thống này được dùng để dẫn dắt tàu thuyền đi lại trên các đại
dương và định vị máy bay trong lúc chuẩn bị tiêp cận chính xác và cất cánh
an tồn trên các đường bay. Với khoảng thời gian khơng phải là nhiêu trong
q íình làm đồ án tốt nghiệp em xin giới thiệu sơ lược vê Hệ thơng định vị
tồn cầu GPS trong nội dung làm đồ án tốt nghiệp của em bao gồm: tìm hiểu
về các nguyên lý định vị, các hệ thống của GPS và các ứng dụng của hệ
thống này trong thực tế.
-
1
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
________________________________________________________________
_________________
MỤC LỤC
Chương một: Giới thiệu tổng quát về hệ thống GPS.
I: Lịch sử ra đời và phát triển.
1.1: Giai đoạn xây dựng khái niệm.
1.2: Giai đoạn nghiên cứu, kiểm chứng.
1.3: Giai đoạn hoàn chỉnh hệ thống.
1.4: Giai đoạn triển khai ứng dụng.
1.5: Giai đoạn nâng cấp hệ thống.
II: Phạm vi ứng dụng của hệ thống GPS.
2.1: ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất.
2.2: ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đât.
2.3: ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển.
2.4: ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển.
2.5: ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không.
2.6: ứng dụng trong thám hiểm không gian.
2.7: ứng dụng trong giao thông hàng không.
2.8: ứng dụng trong quân sự.
Chương hai: Nguyên lý định vị GPS.
I: Khái niệm định vị từ vệ tinh.
1: Phép định vị điểm.
1.1: Phép định vị tương đối.
1.2: Hệ thống lưới gồm nhiều điểm.
1.3: Hệ tọa độ phẳng và cao độ.
1.4: Phép định vị thiên văn.
2: Phép định vị vệ tinh.
3: Phép định vị Dopler.
3.1: Nguyên tắc của phép định vị Dopler.
3.2: Các sô"đo Dopler Transit.
II: Khái niệm cơ bản về hệ thông định vị toàn cầu GPS.
1: Phương pháp đo.
1.1: Phương pháp truyền sóng điện từ.
-
2
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
________________________________________________________________
_________________
1.2: Phép đo cự ly một chiều và hai chiều.
1.3: Phép đo cự ly bằng sóng xung và sóng liên tục.
1.4: Các sơ" đo giả cự ly.
1.5: Phương pháp đo pha phách sóng mang.
2: Phương pháp định vị.
2.1: Phép định vị tĩnh và định vị động.
2.2: Phép định vị tương đôi.
2.3: Phép định vị nhiều máy thu.
2.4: Phép định vị động tương đối.
2.5: Các kiểu định vị 2D và 3D.
3: Độ chính xác và các đặc tính hệ GPS.
3.1: Hình học GPS và độ chính xác.
3.2: Độ suy giảm chính xác.
3.3: Các đặc tính cơ bản của hệ GPS.
Chương ba: Độ lệch và sai số.
I: Các loại sai sô".
1: Sai sô" cự ly do người sử dụng.
2: Sai sô" do tâm pha dịch chuyển.
II: Các ảnh hưởng bên ngoài.
1: Ảnh hưởng khuếch tán của tầng điện ly.
2: Lập mơ hình tầng điện ly.
3: Ảnh hưởng của tầng đôi lưu.
4: Đa đường và ảo ảnh.
III: Các kiểu độ lệch.
1: Độ lệch đồng hồ.
2: Độ lệch quỹ đạo.
3: Lập mơ hình độ lệch quỹ đạo.
4: Giá trị khơng ổn định của pha phách sóng mang.
5: Phép loại trừ giá trị không ổn định của chu kỳ.
6: Trị sô" trượt chu kỳ.
-3
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
ị Global Positioning System)
VI: Các sai số đo và tọa độ trạm đo.
1: Các sai sô" đo.
2: Tọa độ trạm đo.
Chương bốn: Các hệ thống định vị GPS.
I: Phần khơng gian.
1: Vệ tinh GPS.
1.1: Tình trạng của vệ tinh GPS sơ khai.
1.2: Quỹ đạo của những vệ tinh sơ khai.
1.3: Chòm vệ tinh GPS năm 1990.
1.4: Triển khai chòm 21 vệ tinh.
1.5: Các trạm điều khiển vệ tinh.
2: Tín hiệu vệ tinh.
II: Phần điều khiển.
III: Phần người sử dụng.
1: Các bộ phận thiết bị GPS của người sử dụng.
2: Nét chung của máy thu GPS.
3: Máy thu theo dõi liên tục và máy thu chuyển mạch.
4: Phân loại máy thu GPS.
Chương năm: Định vị tĩnh và định vị động.
I: Định vị tĩnh.
1: ứng dụng định vị địa lý.
2: Ảnh hưởng của GPS đối với các lưới không chế.
3: ứng dụng địa động lực học.
4: Theo dõi chuyển động của lớp vỏ trái đất.
II: Định vị động.
1: Nguyên lý định vị động.
1.1: Các mơ hình định vị động.
1.2: So sánh các mơ hình định vị động.
1.3: Phạm vi ứng dụng.
2: Xử lý theo thời gian thực và xử lý hậu kỳ.
3: Độ chính xác và trang thiết bị.
-
4
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
4: ứng dụng đối với các phương tiện giao thông đường bộ.
4.1: Đường truyền thử nghiệm đối với các phương tiện giao thông
đường bộ.
4.2: Kết quả xác định tốc độ các phương tiện giao thông đường bộ.
5: ứng dụng trên tàu thuyền.
6: Đo đạc địa chấn không gian ba chiều.
7: ứng dụng trên máy bay.
7.1: Phép đo sâu laser.
7.2: Tam giác ảnh hành không không dùng điểm khống chế mặt
đất:
7.3: Trọng lực hàng không.
7.4:ứng dụng trên máy bay trực thăng.
-
5
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
_________________
CHƯƠNG MỘT:
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VE HỆ THÔNG GPS
-
6
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
________________________________________________________________
_________________
I. Lịch sử ra đời và phát triển.
Hệ thống GPS là một hệ thống dẫn đường trong mọi loại thời tiết cho
biết thời gian và cự ly của thiết bị cần xác định dựa trên cơ sở tính cự ly giữa
điểm cần định vị và vệ tinh. Hệ thống GPS được hoàn chỉnh vào năm 1994
cung cấp khả năng định vị chính xác tức thời trên qui mơ tồn cầu.
Ý tưởng đầu tiên về một hệ thống định vị tồn cầu sử dụng sóng vơ
tuyến phát từ vệ tinh hình thành từ năm 1957 ngay sau khi vệ tinh nhân tạo
đầu tiên của loài người được phóng thành cồng.
Trong q trình theo dõi tín hiệu vệ tinh, các nhà khoa học thuộc
phịng thí nghiệm Vật lý ứng dụng thuộc Đại học Johns Hopkins nhận thấy
sóng điện từ phát đi từ vệ tinh có sự thay đổi tần sô" phụ thuộc vận tốc tương
đối giữa vệ tinh và máy thu( Hiệu ứng Doppler).
Bằng một đồ thị thể hiện tần sơ" tín hiệu vệ tinh trong một chu kỳ quỹ
đạo có thể xác định được vị trí vệ tinh tại mỗi thời điểm trong các chu kỳ quỹ
đạo kê" tiếp.
Như vậy, nếu xác định được quỹ đạo vệ tinh( thơng qua tính tốn kêt
hợp với các phương pháp quan trắc), có thể xác định chính xác vị trí máy thu
bằng cách đo độ dịch tần Doppler.
Với sự bảo trỢ của Hải quân và Không quân Mỹ, nhiều chương trình
nghiên cứu đã được tiến hành độc lập nhằm xây dựng một hệ thông dẫn
đường cho các phương tiện chiến đấu và vũ khí kỹ thuật cao của quân đội
Mỹ.
1.1 Giai đoan xâv dưng khái niêm.
Các nghiên cứu tiếp theo tại phịng thí nghiệm Vật lý ứng dụng Đại
học Johns Hopkins dẫn tới sự hình thành hệ thống dẫn đường vệ tinh đầu tiên
được gọi là hệ Transit.
Hệ Transit bao gồm từ bôn đến sáu vệ tinh bay quanh trái đất ở độ cao
1 100km, ba trạm giám sát có nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, cập nhật các thông
sô quỹ đạo hai lần mỗi ngày. Vệ tinh Transit phát thông tin về quỹ đạo trên
hai tần sô" 150MHz và 400MHz( việc sử dụng đồng thời hai tần sô" cho phép
giảm thiểu sai sô" do ảnh hưởng của tầng điện ly đơi với q trình truyền sóng
điện từ ). Các máy thu Transit nhận tín hiệu vệ tinh, xác định độ dịch tần
-
7
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS.
( Global Positioning System)
Doppler, tính tốn các toạ độ trên cơ sở thơng tin về vị trí vệ tinh được phát
từ vệ tinh mỗi hai phút.
Độ chính xác của phép định vị Transit khoảng 500m đôi với máy thu
một tần số, 25m đối với máy thu hai tần số. Lặp lại phép đo nhiều lần có thể
đạt tới độ chính xác tương ứng là 50m và 15m. Đ ể có kết quả đo chính xác,
vận tốc phương tiện được xác định chính xác( sai sei vận tốc một hải lý giờ sẽ
dẫn tới sai sei định vị cỡ 0,2 hải lý).
Transit chỉ cung câp thông tin định vị hai chiều( kinh độ, vĩ độẶ cao độ
phải được xác định bằng thiết bị độc lập. Do số vệ tinh trên quỹ đạo ít và chỉ
sử dụng phương pháp đo pha phách sóng mang( các vệ tinh Transit khơng
phát mã PRN trong thông điệp vệ tinh) hệ Transit không có khả năng cung
cấp các số đo định vị tức thời. Thời gian xác lập( tức khoảng thời gian từ khi
bắt đầu đo tới khi thu được các số đo định vị) phụ thuộc vĩ độ của điểm đo,
khoảng 110 phút ở xích đạo và 30 phút ở vĩ độ 80.
Do các hạn chế trên, Transit chỉ thích hợp sử dụng cho hàng hải( do
phương tiện có vận tốc thấp, khơng cần thơng tin độ cao và thường khơng địi
hỏi các thông tin định vị tức thời).
Bắt đầu hoạt động từ năm 1964 như hệ thống dẫn đường chính của Hải
quân Mỹ, năm 1976 Transit được mở rộng cho các ứng dụng dân sự( hàng
hải, trắc điạ, bản đồ) và nhanh chóng thu hút được một sơ lượng lớn người sử
dụng dân sự. Transit chấm dứt hoạt động năm 1996 sau khi GPS đạt được
khả năng hoạt động đầy đủ và chính thức đóng vai trị như hệ thống dẫn
đường duy nhất của quân đội Mỹ.
Năm 1964, Hải quân bắt đầu chương trình Timation với mục tiêu nâng
cao khả năng của các vệ tinh định vị. Kết quả của chương trình là vệ tinh đầu
tiên Timation 1 được phóng lên quỹ đạo 1976, Timation là thê hệ vệ tinh
định vị đầu tiên được trang bị các đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao(
các vệ tinh Oscar và Nova của hệ Transit được trang bị các đồng hồ sử dụng
dao động thạch anh).
Trong cùng thời gian, Không quân Mỹ cũng xúc tiến một chương trình
nghiên cứu được gọi là đề án 6 2 1B. Một trong những kết quả của đê án này
là việc nghiên cứu và thử nghiệm thành công kỹ thuật định vị bằng các mã
nhiễu giả ngẫu nhiên PRN( Pseudo random noise).
-
8
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
Năm 1973, Bộ quốc phịng Mỹ hợp nhất hai chương trình Timation 1
và 6 2 1B nhằm nghiên cứu một hệ thống định vị vệ tinh hoạt động trong mọi
thời tiết, có khả năng định vị ba chiều với độ chính xác cao với tên gọi
NAVSTAR GPS, quyền điều hành NAVSTAR được giao cho Không quân
Mỹ.
1.2 Giai đoan nghiên cứu, kiểm chứng( 1973-1979).
Hai vệ tinh thử nghiệm NTS( Navigation Technology
System) được phóng vào các năm 1974 và 1977 cho phép hoàn thiện các kỹ
thuật được sử dụng để chế tạo các vệ tinh đầu tiên của hệ GPS gọi là Block I.
Hai vệ tinh NTS và vệ tinh đầu tiên thuộc Block I bắt đầu thử nghiệm dịch
vụ định vị hai chiều từ năm 1978.
Cũng trong thời gian này, các trạm điều khiển mặt đất đã được xây
dựng tại California, Alaska, Guam và Hawaii.
1.3 Giai đoan hoàn chỉnh hê thổng( 1979-1985).
Song song với việc hoàn thiện các trạm điều khiển mặt đất các vệ tinh
GPS Block I tiếp tục được phóng vào quỹ đạo từ sân bay quân sự
Vandenberg bằng tên lửa Atlas.
Tổng cộng mười một vệ tinh GPS Block I đã được phóng trong thời
gian từ 1980 tới 1985, tuổi thọ của vệ tinh Block I trung bình khoảng bảy
năm, vệ tinh cuối cùng ngưng hoạt động năm 1995.
1.4 Giai đoan triển khai ứng dung( 1986-1994).
Thế hệ k ế tiếp của các vệ tinh GPS là Block II, dự kiến bắt đầu hoạt
động từ năm 1986, được thiết k ế để phóng vào quỹ đạo bằng tàu con thoi
nhưng dự án đã phải tạm ngưng do vụ nổ tàu con thoi Challenger năm 1986.
Năm 1989, vệ tinh đầu tiên thuộc Block II mới được đưa vào quỹ đạo bằng
tên lửa đẩy Delta.
Năm 1991, GPS bắt đầu đảm bảo khả năng định vị hai chiều trên
phạm vi toàn thế giới. Khả năng định vị ba chiều được chính thức cơng bơ
năm 1993, năm 1994 chùm vệ tinh GPS đã bao gồm đủ hai mươi bốn vệ tinh
đa số thuộc Block II.
-
9
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
ị Global Positioning System)
Sau vụ máy bay Korean Aữlines bị bắn hạ do xâm phạm không phận
Liên Xơ năm 1983, chính phủ Mỹ cơng bố khả năng cho phép ứng dụng GPS
cho các lĩnh vực dân sự đặc biệt là hàng khơng ngay sau khi hồn tất q
trình triển khai.
Từ năm 1993, cộng đồng hàng khơng dân dụng quốc tế chính thức
được phép sử dụng miễn phí các dịch vụ của GPS trong thời gian tối thiểu
mười năm. Cam kết này được tái khẳng định nhiều lần trong các năm tiếp
theo bởi các quan chức cao cấp của Chính phủ Mỹ.
1.5 Giai đoan nâng cấp hê thống( từ 1995).
Sau khi đạt được khả năng hoạt động đầy đủ, GPS tiếp tục được nâng
cấp nhiều lần đặc biệt là khả năng của các vệ tinh. Cho tới nay, nhiêu thê hệ
k ế tiếp( Block IIA, Block IIR, Block IIF) đã và đang được triển khai.
II. Phạm vi ứng dụng của hệ thông GPS.
Kỹ thuật dẫn đường bằng vệ tinh được ứng dụng rất nhiều trong tất cả
các lĩnh vực như: hàng không, hàng hải, dẫn hay theo dõi các hoạt động của
các phương tiện giao thông vận tải trên mặt đất, câm tay di động, đo đạc ban
đồ, địa chất...
2.1 ứ n g dung trong trắc đỉa và bản đỗ măt đất.
Độ chính xác cao của các trị số đo pha sóng mang GPS, cùng với
những thuật tốn bình sai thoả đáng, sẽ cung cấp một cơng cụ thích hợp cho
nhiều nhiệm vụ khác nhau trong cơng tác trắc địa và bản đồ. Các ứng dụng
này chia làm bốn loại:
• Đo đạc địa chính.
• Lập lưới khống chế trắc địa.
• Theo dõi biến dạng cục bộ.
• Theo dõi biến dạng tồn bộ.
Đo đạc địa chính địi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10'4.
Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan
trắc GPS. Tuy nhiên, để có thể áp dụng GPS một cách rộng rãi trong lĩnh vực
-
10
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
này, cần phải thực hiện được việc xử lý hoàn toàn tự động trên vị trí điểm
nếu có thể.
Lưới khơng chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao để
từ đó người ta có thể lập những lưới hạng thấp hơn. Độ chính xác yêu cầu về
vị trí tương đối khoảng 5x10'6 đến lxl 0"4 tương ứng với các cự ly 20 đến 100
km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý hậu kỳ các trị đo pha
sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các câp hạng khống chế
thấp hơn có thể cũng được thành lập một cách kinh tế bằng GPS.
Việc theo dõi biến dạng cục bộ địi hỏi độ chính xác lmm đến lcm
trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể
đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các
tâm vi mạch trong anten GPS và sự sai lệch của tín hiệu do mơi trường phản
xạ nơi đặt anten. Hơn thế nữa, khó khăn đã bị tăng lên do khả năng nhìn thây
vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng che chắn của mơi trường cơng nghiệp tiêu
biểu.
Việc theo dõi biến dạng tồn cục địi hỏi độ chính xác khoảng 10 7 đên
10~8trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng
toàn bộ so với những ứng dụng đã thảo luận phía trên là ở chỗ trong trường
hỢp này cần phải cổ một mơ hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các
trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác.
2.2 ứ n g dung trong giao thông và thông tin trên măt đất.
Việc phổ biến rộng rãi phép định vị GPS hành trình hàng hải vào trong
giao thông dân dụng sẽ được nối tiếp theo sau việc giảm một cách đáng kể
giá cả của các thiết bị thu GPS. Việc giảm giá thiết bị hồn tồn có thể đạt
được trong những năm tới, vì vậy GPS có thể được coi là sẽ thay thê các
phương pháp truyền thống trong những nhiệm vụ đang thực hiện. Trong lĩnh
vực xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thê hiện vị
trí của phương tiện trên một sơ đồ điện tử có thế sẽ thay thê sự so sánh có
tính chất thủ cơng các vật thể chung quanh phương tiện với bản đồ truyên
thống, ứng dụng này sẽ thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện
thi hành luật pháp, các chuyên công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ...
-11
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
ị Global Positioning System)
Việc giám sát vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt
được nếu các phương tiện này được trang bị thêm những máy phát tự động đê
hỗ trỢ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu hoặc bộ xử lý
GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm để thể hiện trên màn
hình.
2.3 ứ n g dung trong trắc đỉa và bản đồ trên biển.
Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định
ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngồi khơi.
Đối với cơng tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác vê vị trí mặt băng
thường thay đổi trong khoảng từ một vài dm đến một vài chục mét. Đê đáp
ứng các nhu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý sô
liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo pha
sóng mang.
-
12
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
_________________
Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đô các chướng ngại đê dan
hướng tàu thuyền( đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nôi) và đo vẽ các câu tàu va
bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa vật lý đáy biển( ví dụ đo
địa chấn) cũng như các yêu câu vê định vi các hô khoan đeu co tho được đap
ứng bằng GPS.
Trong trắc địa biển( địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đât..)
đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị. Đ ể đo trường trọng lực, ngồi vị trí
của máy thu cịn phải biết thêm tốc độ của máy thu.
2-4 ứ n g dung trong giao thông và hải dương hoc trên biển.
Hệ thống định vị GPS sẽ trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải
trên biển lý tưởng một khi việc phóng các vệ tinh được thực hỉện đủ đe cung
-
13
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS.
( Global Positioning System)
Cấp thơng tin liên tục cho phép định vị không gian hai chiêu. Yêu câu độ
chính xác dẫn đường đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét( trên
bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét( dan hướng
trên đường đi). Khả năng đảm bảo độ chính xác đầy đủ cho việc dẫn đường
đi lại trên biển trong mọi giai đoạn khác nhau bằng một hệ thông định vị vơ
tuyến duy nhất là lợi thê chính yếu của phép định vị GPS. Thủ tục định vị
GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả-ngẫu nhiên và phép đo pha sóng
mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển
mà không cần đến phao nổi, cơng tác tìm kiêm và cứu hộ ngồi khơi xa cũng
sẽ có hiệu quả hơn khi được nâng cao độ chính xác dẫn hướng đường đi.
Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương
học cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo pha của sóng mang bổ
túc cho ta tốc độ tàu thuyền chinh xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu
các dòng chảy của đại dương.
2.5 ứ n g dung trong trác đỉa và bản đỗ hàng không.
Trong ứng dụng đo đạc và vẽ bản đồ từ không ảnh, hệ định vị GPS
cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay và định vị bộ cảm biến.
Trọng lượng ảnh hàng khơng, u cầu độ chính xác dân đường bay của
bộ cảm biên ( khoảng một vài chục mét) có thể thực hiện được một cách dễ
dàng nhờ hệ GPS. Phép định vị( và định hướng) hậu kỳ bộ cảm biến với độ
chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh khơng gian va
do đó làm cho vai trị của các điểm khống chê mặt đất trở nên không cân
thiết. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này
thay đổi trong khoảng từ 0.5 mét đến 26 mét tùy theo từng loại tỷ lệ bản đồ
khác nhau.
-
14
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiện cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS.
( Global Positioning System)
_________________
Hình 1.2: ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không.
Phép lập mặt cắt địa hình bằng laser hàng khơng có thể được dùng để
đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình( mơ hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ
cảm biến được biết với độ chính xác khoảng 0.5 mét đến 1 mét về độ cao và
một vài mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho đọ chinh xac
định vị tốt hơn trong phép phân tích hậu kỳ.
Phép đo trọng lực và trọng sai( dị thường trọng lực) hàng khơng cũng
địi hỏi một kiểu định vị đại để như vậy. Trong lĩnh vực ứngdụng này, các số
đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cấn thiết cho phép
quy Eotvos dữ liệu trọng lực.
Phép đo sâu laser hàng không và phép ảnh radar thường địi hỏi độ
chính xác định vị bộ cảm biến khơng cao, vì vậy có thể được thực hiện một
cách dễ dàng bằng các số đo GPS.
-
15
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
ị Global Positioning System)
_________________
2.6 ứ n g dung trong thám hiển khơng gian.
Hình 1.3: ứng dụng trong thám hiểm không gian.
ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm
việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có
mang theo những máy thu phát địa vật lý hoặc trắc địa. Thơng thường các vệ
tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học cua các phep đo cung
tương tự như đã ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực
ứng dụng này là phép viễn thám bằng vệ tinh và phép đo cao độ bằng radar.
Các vị trí toạ độ của vệ tinh nhận được từ các sơ đo GPS có the được dung đe
cải tiến hoặc đơn giản hố việc tính toán quỹ đạo cua các phương tiẹn khong
-
16
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị tồn cầu GPS.
( Global Positioning System)
gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc
trong định vị quỹ đạo bay.
2.7 ứ n g dung trong giao thông hàng không.
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, việc sử dụng đơn độc hệ GPS
làm hệ thông dẫn đường bay gắn chặt với việc liệu hệ GPS có đưa ra được
một kỹ thuật định vị thực sự liên tục với đầy đủ các sô đo dư thừa hay không.
Trong cấu trúc của GPS một vài vùng khác nhau vẫn có thể xảy ra tình trạng
yếu kém do sự phân bố hình học vệ tinh khơng tốt. Trong thời gian yếu kém
người ta không thể thực hiện được việc dẫn đường bay an toàn chỉ đơn thuần
bằng các số đo GPS. Tuy nhiên kỹ thuật GPS vẫn có thể được dùng làm một
phần của hệ thơng dẫn đường bay tích hợp, cho tới nay độ chính xác nhận
được bằng hệ GPS trong các thời kỳ không yếu kém tỏ ra ưu việc hơn nhiều
hơn so với bất kỳ một hệ định vị vô tuyến bất kỳ nào khác.
2.8 ứ n g dung trong quân sư.
GPS được thiết k ế ban đầu dùng cho mục đích quân sự. Những ứng
dụng này xoay quanh các vấn đề: hàng không, hàng hải và mặt đất. GPS sẽ
được phục vụ như một hệ thống riêng rẽ hoặc một bộ phận của hệ thống có
giao tiếp. Dưới dạng là những ứng dụng chính trong quân sự, thám thính vệ
tinh GPS mang cảm biến để bảo vệ và hiển thị các vụ nổ nguyên tử.
-
17
-
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
CHƯƠNG HAI:
NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS
Đ ồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống định vị toàn cầu GPS.
( Global Positioning System)
I. Khái niệm định vị từ vệ tỉnh.
1. Phép đinh vi điểm .
Định vị có nghĩa là xác định vị trí của các vật thể tĩnh tại hoặc chuyển
động. Các vị trí này có thể được xác định theo một trong hai phương pháp sau
đây:
i.
Theo một hệ tọa độ không gian ba chiều đã được định
nghĩa( ở đây chúng ta cho rằng một hệ tọa độ đã được định
nghĩa là hệ tọa độ đã được định vị và định hướng theo trái
đất).
ii.
Theo vị trí của một điểm khác, được thừa nhận là điểm
gốc của một hệ tọa độ địa phương.
Kiểu đầu tiên của định vị là định vị điểm, kiểu thứ hai là định vị tương
đốì( kiểu định vị tương đối cịn gọi là định vị vi sai).
Hình 2.1: Hệ tọa độ qui ước quốc tế CT.
v ề khái niệm, dùng hệ tọa độ nào để định vị điểm không quan trọng.
Tuy nhiên, người ta vẫn thường dùng hệ tọa độ địa tâm hơn, tức là một hệ tọa
-
19
-
