Nghiên cứu một số giải pháp xử lý tính toán nâng cao độ chính xác định vị gps tuyệt đối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KONEXANA YOMLEUANGSA

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍNH TỐN
NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ GPS TUYỆT ĐỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KONEXANA YOMLEUANGSA

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP XỬ LÝ TÍNH TỐN
NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ GPS TUYỆT ĐỐI

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA
MÃ SỐ: 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Đặng NamChinh

HÀ NỘI – 2013

-1-

mục lục
Trang phụ bìa

trang

Lời cam đoan
Mục lục
danh mục ký hiệu, viết tắt .......................................................................................- 4 danh mục các bảng biểu ..........................................................................................- 5 danh mục các hình vẽ ..............................................................................................- 7 mở đầu ....................................................................................................................- 8 Chương 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPs và các nguyên lý định vị gps ....- 12 1.1. khái quát về hệ thống định vị toàn cầu gps ...................................... - 12 1.1.1. CÊu tróc cđa hƯ thèng GPS............................................................... - 12 1.1.2. HƯ täa ®é WGS-84........................................................................... - 17 1.1.3. C¸c m¸y thu tÝn hiƯu GPS ................................................................ - 18 1.2. các nguyên lý định vị gps .................................................................. - 19 1.2.1. Định vị tuyệt đối và phân loại .......................................................... - 19 1.2.2. Định vị tương đối và phân loại ......................................................... - 25 1.2.3. PhÇn mỊm xư lý sè liƯu.................................................................... - 26 Chương 2: Thông tin đạo hàng và các trị ®o trong c«ng nghƯ gps ...............- 28 2.1. tÝn hiƯu vệ tinh gps và thông tin đạo hàng của gps ........................ - 28 2.1.1. TÝn hiÖu vÖ tin GPS .......................................................................... - 28 2.1.2. Thông tin đạo hàng của GPS ............................................................ - 29 2.1.3. Lịch vệ tinh...................................................................................... - 31 2.2. các loại trị đo trong công nghệ Gps ................................................... - 36 2.2.1. Trị đo khoảng cách gia..................................................................... - 36 2.2.2. Trị đo pha sóng tải ........................................................................... - 41 2.2.3. Trị đo Doppler ................................................................................. - 43 2.3. các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác định vị gps ......................... - 45 -


-2-

2.3.1. Các nguồn sai số trong định vị GPS.................................................. - 45 2.3.2. Các biện pháp khắc phục sai số trong định vị ................................... - 50 2.4. Dữ liệu dạng Rinex ............................................................................... - 53 2.4.1. Tệp đạo hàng ................................................................................... - 53 2.4.2. Tệp trị đo ......................................................................................... - 54 Chương 3: Giải bài toán định vị gps tuyệt đối sử dụng khoảng cách giả và lịch
vệ tinh quảng bá ......................................................................................................- 56 3.1. tÝnh täa ®é vƯ tinh ............................................................................... - 56 3.1.1. TÝnh sè hiƯu chØnh ®ång hå vƯ tinh .................................................. - 56 3.1.2. Tính khoảng cách góc ...................................................................... - 57 3.1.3. Tính c¸c tham sè hiƯn thêi ............................................................... - 58 3.1.4. TÝnh tọa độ vệ tinh trên mặt phẳng quỹ đạo...................................... - 58 3.1.5. TÝnh täa ®é vƯ tinh trong hƯ täa ®é Tr¸i ®Êt WGS-84 ....................... - 58 3.2. thuËt to¸n định vị tuyệt đối khoảng cách giả..................................... - 61 3.2.1. Phương trình trị đo khoảng cách giả................................................. - 61 3.2.2. Tính hiệu chỉnh ảnh hưởng đồng hồ vệ tinh vào khoảng cách giả ..... - 61 3.2.3. Tính hiệu chỉnh đồng bộ thời gian.................................................... - 62 3.2.4. Giải bài toán định vị......................................................................... - 64 Chương 4: nghiên cứu một số giải pháp xử lý tính toán nhằm nâng cao độ
chính xác định vị GPS tuyệt đối khoảng cách giả ..............................................- 73 4.1. ảnh hưởng do tầng điện ly và tầng đối lưu ......................................... - 73 4.1.1. ảnh hưởng của tầng điện ly ............................................................. - 73 4.1.2. ảnh hưởng của tầng ®èi l­u ............................................................. - 77 4.2. ¶nh h­ëng do lƯch tâm pha anten vệ tinh .......................................... - 80 4.3. ảnh hưởng do độ cao anten máy thu................................................... - 81 4.4. Sử dụng lịch vệ tinh chính xác ............................................................. - 82 4.4.1. C«ng thøc néi suy Lagrange ............................................................ - 82 -


-3-

4.5. quy trình tính toán định vị tuyệt đối .................................................. - 86 4.5.1. Quy trình tính toán định vị GPS tuyệt đối sử dụng khoảng cách giả và
lịch vệ tinh quoảng bá................................................................................ - 86 4.5.2. Quy chình tính toán định vị GPS tuyệt đối sử dụng khoảng cách giả và
lịch vƯ tinh chÝnh x¸c................................................................................. - 87 4.6. tÝnh to¸n thùc nghiệm, phân tích và đánh giá kết quả ...................... - 88 4.6.1. Phương pháp đánh giá độ chính xác ................................................. - 88 4.6.2. TÝnh to¸n thùc nghiƯm víi sè liƯu máy thu 1 tần số.......................... - 89 4.6.3. Tính toán thực nghiệm với số liệu máy thu 2 tần số.......................... - 95 kết luận và kiến nghị .............................................................................- 101 danh mục công trình của tác giả .................................................- 103 tài liệu tham kh¶o ...................................................................................- 104 phơ lơc ...............................................................................................................- 106 -


-4-

danh mơc ký hiƯu, viÕt t¾t

CIGNET: Cooperative International GPS Network - Tổ chức Hợp tác quốc tế về lưới
GPS
DGPS: Differential Global Positioning System - Định vị GPS vi phân
EGM: Earth Gravitational Models - Mô hình trọng trường Trái đất
GBAS: Ground Based Augmentation System - Hẹ thống tăng cường dựa trên cơ sở
mặt đất
GDGPS: Global Differential GPS - Định vị GPS vi phân toàn cầu
GPS: Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ
GPST: Global Positioning System Time - HÖ thêi gian GPS
GNSS: Global Navigation Satellite System - Các hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn
cầu
IGS: International GNSS Service - Tỉ chøc qc tÕ vỊ øng dơng GNSS
IM: Intergrity Monitor - Trạm giám sát tích hợp
ITRF: International Terrestrial Reference Frame - Khung quy chiếu Trái đất quốc tế
ITRS: International Terrestrial Reference System - Hệ quy chiếu cố định với Trái đất
MCS: Master Control Station - Trạm điều khiển trung tâm
MS: Monitoring Station - Trạm theo dõi
OCS: Operational Control System - Hệ thống hoạt động kiểm tra
PPP: Precise Point Positioning - Định vị tuyệt đối chính xác
PPK: PostProcessing Kinematic - Định vị tương đối động xử lý sau
RTK: Real Time Kinematic - Định vị tương đối động xử lý tức thời
SBAS: Satellite Based Augmentation System - Hệ thống tăng cường dựa trên cơ sở
vệ tinh
WADGPS: Wide Area Diferential GPS - Định vị vi phân diện rộng
WGS-84: World Geodetic System-1984 - Hệ trắc địa thế giới


-5-

danh mục các bảng biểu

stt

tên bảng biểu

trang

1

Bảng 1.1: Các lần nâng cấp khung quy chiếu WGS-84

18

2

Bảng 2.1: Phân chia trong khung thông tin đạo hàng

29

3

Bảng 2.2: Khái quát về lịch vệ tinh

32

4

Bảng 2.3: Các số liệu trong lịch dự báo

32

5

Bảng 2.4: Các yếu tố quỹ đạo vệ tinh trong lịch vệ tinh quảng bá

33

6

Bảng 2.5: ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách từ vệ

47

tinh tới máy thu
7

Bảng 2.6: ảnh hưởng của tầng đối lưu tới khoảng cách

48

8

Bảng 2.7: Các tham số đối với từng vệ tinh

54

9

Bảng 3.1: Kết quả tính tọa độ vệ tinh theo các thời điểm

61

10
11
12

Bảng 3.2: Kết quả tính khoảng cách giả đà hiệu chỉnh đồng hồ
vệ tinh
Bảng 3.3: Tọa độ và khoảng cách giả đà hiệu chỉnh đồng hồ vệ
tinh của các vệ tinh
Bảng 3.4: Kết quả tính khoảng cách giả đà hiệu chỉnh đồng bộ
thời gian

69
69
70

13

Bảng 4.1: Giá trị lệch tâm anten phát của một số vệ tinh GPS

80

14

Bảng 4.2: Các giá trị cho trước sử dụng để nội suy

83

15

Bảng 4.3: Giá trị täa ®é, sè hiƯu chØnh ®ång hå cđa vƯ tinh 9
(lịch chính xác)

84

16

Bảng 4.4: Kết quả tính lj(t)

85

17

Bảng 4.5: Kết quả nội suy Lagrange bậc 9

85

18
19
20

Bảng 4.6: Kết quả định vị sử dụng lịch vệ tinh quảng bá (đối với
máy thu 1 tần số)
Bảng 4.7: Kết quả định vị sử dụng lịch vệ tinh chính xác (đối với
máy thu 1 tần số)
Bảng 4.8: Giá trị độ lệch tọa độ trung bình của điểm quan sát (sử

91
92
90

-6-

dụng lịch vệ tinh quảng bá, đối với máy thu 1 tần số) so với tọa
độ gốc
Bảng 4.9: Giá trị độ lệch tọa độ trung bình của điểm quan sát (sử
21

dụng lịch vệ tinh chính xác, đối với máy thu 1 tần số) so với tọa

93

độ gốc
22
23

Bảng 4.10: Kết quả định vị sử dụng lịch vệ tinh quảng bá (đối
với máy thu 2 tần số)
Bảng 4.11: Kết quả định vị sử dụng lịch vệ tinh chính xác (đối
với máy thu 2 tần số)

96
97

Bảng 4.12: Giá trị độ lệch tọa độ trung bình của điểm quan sát
24

(sử dụng lịch vệ tinh quảng bá, đối với máy thu 2 tần số) so với

98

tọa độ gốc
Bảng 4.13: Giá trị độ lệch tọa độ trung bình của điểm quan sát
25

(sử dụng lịch vệ tinh chính xác, đối với máy thu 2 tần số) so víi
täa ®é gèc

99


-7-

danh mục các hình vẽ
stt

tên hình vẽ và đồ thị

trang

1

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS

13

2

Hình 1.2: Vệ tinh GPS

14

3

Hình 1.3: Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh Trái đất

14

4

Hình 1.4: Đoạn điều khiển của hệ thống GPS 2002

16

5

Hình 1.5: Máy thu GPS

17

6

Hình 1.6: GPS dẫn đường cho các phương tiện

17

7

Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS

19

8

Hình 1.8: Hệ thống định vị GPS vi phân 1 trạm tham chiếu

22

9

Hình 1.9: Định vị tương đối

25

10

Hình 2.1: Cấu trúc khung thông tin đạo hàng

31

11

Hình 2.2: Một đoạn của lịch vệ tinh chính xác dạng SP3

35

12

Hình 2.3: Nguyên tắc xác định t

36

13

Hình 2.4: ý nghĩa hình học của khoảng cách pha

40

14

Hình 2.5: Trượt chu kỳ

41

15

Hình 2.6: Mô tả hiệu ứng Doppler

43

16

Hình 2.7: QuÃng đường tín hiệu lan truyền từ vệ tinh đến máy thu

48

17

Hình 2.8: ảnh hưởng của tín hiệu đa đường dẫn

49

18

Hình 4.1: Tệp IONEX (ngày 11/12/2003)

77

19

Hình 4.2: Hệ tọa độ cố định với vệ tinh

80

20

Hình 4.3: Tính số cải chính do độ cao anten may thu

81

21

Hình 4.4: Độ lệch vị trí điểm B (dùng lịch vệ tinh quảng bá)

94

22

Hình 4.5: Độ lệch vị trí điểm B (dùng lịch vệ tinh chính xác)

94

23

Hình 4.6: Độ lệch vị trí điểm T (dùng lịch vệ tinh quảng bá)

99

24

Hình 4.7: Độ lệch vị trí điểm T (dùng lịch vệ tinh chính xác)

100


-8-

mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ GPS ra đời đà mang lại rất nhiều ứng dụng trong đời sống xà hội,
trong hoạt động kinh tế, quốc phòng và trong các nhiệm vụ của nhiều lĩnh vực Khoa
học kỹ thuật
Tháng 5 năm 2000 nhiễu cố ý SA đà được gỡ bỏ, độ chính xác định vị tuyệt
đối đà được cải thiện, tuy vậy độ chính xác định vị tuyệt đối khoảng cách giả vấn
còn hạn chế do nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến độ chính xác định vị.
Nghiên cứu thuật toán định vị tuyệt đối và các biện pháp nâng cao độ chính
xác định vị tuyệt đối đà và đang được quan tâm. Trên thực tế, trong những năm gần
đây, con người đà đạt được những kết quả quan trọng trong hướng nâng cao độ
chính xác ®Þnh vÞ tut ®èi, trong ®ã ng­êi ta ®· khai thác được lịch vệ tinh chính

xác tức thời, các tham số hiện thời của chuyển động cực Trái đất và thông tin chính
xác tức thời về thành phần khí quyển.
Đề tài luận văn thạc sĩ của chúng tôi không có tham vọng đạt được độ chính
xác cao trong định vị tuyệt đối tức thời do trong hoàn cảnh thực tế chúng tôi chưa
thể nhận được các số liệu cần thiết cho khâu xử lý số liệu định vị tuyệt đối.
Trong luận văn này, tác giả chỉ đặt vấn đề nghiên cứu kỹ về thuật toán định vị
tuyệt đối khoảng cách giả bằng máy thu 1 tần số và 2 tần số sử dụng dạng dữ liệu
RINEX, tiếp theo là nghiên cứu một số số hiệu chỉnh vào trị đo khoảng cách giả để
nâng cao độ chính xác định vị theo phương thức xử lý sau.
Tác giả luận văn đà tính toán xác định các số hiệu chỉnh vào khoảng cách giả
như:
1. Số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh và số hiệu chỉnh do thuyết tương đối
2. Số hiệu chỉnh đồng bộ thời gian sử dụng các tham số quỹ đạo vệ tinh và vị
trí gần đúng của anten máy thu
3. Các số hiệu chỉnh do tầng điện ly và tầng đối lưu
Luận văn cũng nghiên cứu khai thác lịch vệ tinh chính xác trong định vị tuyệt
đối xử lý sau. Khi sử dụng lịch vệ tinh chính xác tác giả luận văn đà nghiên cứu


-9-

thuật toán nội suy Lagrange bậc 9 để nội suy giá trị tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ
vệ tinh tại các thời điểm quan trắc.
Phương pháp nghiên cứu đánh giá độ chính xác định vị tuyệt đối là dựa vào
vị trí đà biết của một số điểm thu tín hiệu ở Hà Nội, tọa độ của các điểm này đÃ
được xác định chính xác trong hệ WGS-84 hoặc ITRF2005. Tọa độ của các điểm
này được coi là số liệu gốc đề đánh giá sự biến động của các kết quả định vị xác
định tại các thời điểm đo.
Chúng tôi cho rằng phương pháp đánh giá độ chính xác dựa vào số liệu gốc là
chặt chẽ và bảo đảm độ tin cậy.

Từ các vấn đề nêu trên cho thấy, việc nghiên cứu các giải pháp, tính toán để
nâng cao độ chính xác định vị GPS tuyệt đối để đạt độ chính xác cao hơn định vị
tuyệt đối thông thường là một việc làm cần thiết, có ý nghĩa khoa học và có giá trị
ứng dụng thực tiễn. Chính vì vậy, việc lựa chọn đề tài Nghiên cứu một số giải
pháp xử lý tính toán nâng cao độ chính xác ®Þnh vÞ GPS tut ®èi” mang ý nghÜa
thùc tÕ.
2. Mơc đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu các giải pháp xử lý, tính toán để nâng cao độ chính xác định vị
tuyệt đối.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu việc xử lý số liệu định vị tuyệt đối sử dụng khoảng cách giả với
lịch vệ tinh quảng bá, sử dụng khoảng cách giả với lịch vệ tinh chính xác, nghiên
cứu một số giải pháp xử lý, tính toán nhằm nâng cao độ chính xác định vị tuyệt đối.
Lập chương trình tính toán phục vụ tính toán nhằm nâng cao độ chính xác
định vị tuyệt đối.
Phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn sẽ tính toán thực nghiệm đối với một số điểm đo trong phạm
vi Hà Nội.


- 10 -

4. Nội dung nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu tìm hiểu về các vấn đề liên quan đến định vị
GPS, đặc biệt là định vị GPS tuyệt đối, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính
xác định vị và nghiên cứu một số giải pháp nhằm nâng cao độ chính định vị tuyệt
đối khoảng cách giả.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục đích và nội dung mà đề tài đặt ra, trong luận văn đà sử dụng

tổng hợp các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập tài liệu: Thu thập tài liệu về công nghệ định vị toàn
cầu GNSS, các tài liệu nói về phương pháp xử lý số liệu GPS vv
- Phương pháp thực nghiệm: Tính toán thực nghiệm số liệu đo GPS bằng cách
lập chương trình tính toán.
- Phương pháp thống kê bằng bảng biểu biểu diễn kết quả xử lý số liệu
- Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp số liệu xử lý và phân tích, đánh
giá kết quả nhận được.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Về khoa học, đề tài đà giúp học viên hệ thống lại toàn bộ quy trình tính toán
định vị GPS tuyệt đối sử dụng khoảng cách giả. Tác giả luận văn đà biết tính toán
xác định các số hiệu chỉnh vào khoảng cách giả như số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh,
số hiệu chỉnh do tuyết tương đối, số hiệu chỉnh đồng bộ thời gian và các số hiệu
chỉnh do khí tượng vv
- Về thực tiễn, tác giả luận văn đà áp dụng lý thuyết và đề xuất công thức tính
toán phù hợp, cho phép tính toán định vị chỉ sử dụng các trị đo tại 1 thời điểm đo,
nhờ đó có thể phát triển để xử lý định vị tức thời. Độ chính xác định vị có thể đáp
ứng cho một số ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao như đo đạc biển, đo đạc
phân loại đất lâm nghiệp, dẫn đường, tìm kiếm cứu nạn vv
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm 4 chương với 163 trang, 25 bảng biểu và 24 hình vẽ.


- 11 -

Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn, tác giả đà nhận được
sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa cao cấp, bạn bè
đồng nghiệp và đặc biệt là của thầy hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Đặng Nam
Chinh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành các tập thể và cá nhân đà giúp đỡ

tác giả hoàn thành bản luận văn này.


- 12 -

Chương 1
Hệ thống định vị toàn cầu GPs và
các nguyên lý định vị gps
1.1. khái quát về hệ thống định vị toàn cầu gps
Năm 1957, sau khi Liên xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên (Sputnhic-1) lên
quỹ đạo, người ta đà có ý tượng xây dựng một hệ thống dẫn đường bằng vệ tinh dựa
trên nguyên tắc định vị bằng hiệu ứng Doppler. Phòng thí nghiệm vật lý øng dơng
APL (Applied Physics Laboratory) cđa Tr­êng Tỉng hỵp Hopkin và Bộ quốc phòng
Mỹ phối hợp nghiên cứu thiết lập hệ thống này, đó là hệ thống TRANSIT. Năm
1962, vệ tinh đầu tiên trong hệ thống vệ tinh dẫn đường TRANSIT được phóng lên
quỹ đạo. Năm 1967, hệ thống TRANSIT được đưa vào ứng dụng trong dân sự. Sau
gần 30 năm sử dụng, hệ thống TRANSIT đà kết thúc vai trò của nó vào năm 1996.
Ngoài hệ thống GPS của Mỹ, hiện nay còn có hệ thống định vị toàn cầu GLONASS
của Nga đang hoạt động. Các nước Châu Âu đang xây dựng hệ thống định vị toàn
cầu GALILEO và Trung Quốc cũng đang triển khai xây dựng hệ thống định vị toàn
cầu COPASS (Bắc Đẩu-2). Các hệ thống định vị toàn cầu trên được gọi là các hệ
thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Nagvigation Satellite Systems).
Ngay từ năm 1973, Bộ quốc phòng Mỹ đà bắt tay vào xây dựng một hệ thống
định vị dẫn đường bằng vệ tinh hoàn hảo hơn, có những tính năng vượt trội so với
TRANSIT, đó là hệ thống định vị toàn cầu GPS.
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận cấu thành, đó là:
-

Đoạn không gian (Space segment)

-

Đoạn điều khiển (Control segment)

-

Đoạn người sử dông (User segment)


- 13 -

Hình 1.1: Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS
1.1.1.1. Đoạn không gian
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ
đạo, ở độ cao khoảng 20200km. Mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích
đạo Trái đất một góc 55. Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo gần như tròn víi
chu kú lµ 718 phót. Theo thiÕt kÕ, hƯ thèng gồm có 24 vệ tinh, mỗi quỹ đạo có 4 vệ
tinh. Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ đạo nh­ vËy, trong bÊt kú thêi gian nµo vµ ë
bÊt kỳ vị trí quan trắc nào trên Trái đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh
GPS. Hiện nay có thể quan sát được 31 vệ tinh GPS (2013).
Vệ tinh GPS được chế tạo tại tập đoàn Rockwell International, và GE Astro
Space. Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kg
trên quỹ đạo. Các vệ tinh thế hệ II-R có trọng lượng trên 1000kg. Theo thiết kế tuổi
thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm, nhưng vệ tinh thế hệ sau có tuổi thọ lớn hơn, có
thể trên 10 năm. Năng lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là
năng lượng pin mặt trời. Ngày 22/2/1978 vệ tinh GPS đầu tiên được đưa lên quỹ đạo.


- 14 -

Cho đến nay, người ta đà chế tạo vµ sư dơng nhiỊu thÕ hƯ vƯ tinh GPS, gåm block I,
IA, II, IIA, block IIR, IIR-M, IIF.
Tất cả các vệ tinh GPS đều có đồng hồ nguyên tử, đó là thiết bị tạo dao động
với tần số chuẩn cơ sở ổn định là f0=10,23MHz. Từ tần số chuẩn này, người ta tạo ra
các sóng tải L1 và L2 vv Các sóng tải được điều biến bởi các code và được phát đi
rộng rÃi trong không gian. Máy thu GPS sÏ thu tÝn hiƯu tõ vƯ tinh ®Ĩ thùc hiƯn các
nhiệm vụ đạo hàng (Navigation) hoặc đo đạc.
Do sử dụng tín hiệu sóng điện từ (Radio) phát đi từ các vệ tinh để định vị và
dẫn đường, nên hệ thống GPS còn được gọi là hệ thống dẫn đường Radio không gian
(Space based-navigation system).
Từ tháng 9 năm 2005, các vệ tinh khối IIR-M có khả năng phát tín hiệu điều
biến L2C với tần số 10,23MHz. Tín hiệu L2C được phép sư dơng réng r·i trong d©n
sù. Nhê tÝn hiƯu L2C, người sử dụng có thể khai thác tốt hơn hệ thống GPS vào các
mục đích đo đạc và đạo hàng. Các vệ tinh thế hệ này đà sử dụng thêm M-code
(Military Code) để điều biến các sóng tải L1, L2, phục vụ mục đích quân sự. Từ
năm 2008, các vệ tinh thế hệ IIF phát thêm sóng tải L5, với tần số f5=1176,45MHz.
Theo chương trình hiện đại hóa hệ thống GPS của Mỹ, hệ thống này đà được liên tục
nâng cấp nhằm nâng cao độ chính xác và mở rộng các địch vụ định vị dẫn đường
phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau.

Hình 1.2: Vệ tinh GPS

Hình 1.3: Chuyển động vệ tinh nhân tạo
xung quanh Trái đất


- 15 -

1.1.1.2. Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống
định vị này. Trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station - viết tắt là MCS)
được đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado Springs. Trạm điều khiển
trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, cập nhật thông tin đạo
hàng truyển đi từ vệ tinh. Cùng phối hợp hoạt động với trạm diều khiển trung tâm là
hệ thống hoạt động kiểm tra OCS (Operational Control System) bao gồm các trạm
theo dõi MS (Monitoring Stations) phân bố quanh Trái đất, đó là các trạm Colorado
Springs, Hawaii, Assension Islands, Diego Garcia, Kwajalein. Các trạm này theo dõi
liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được. Các số liệu quan sát được ở các trạm
này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm MCS, tại đây việc tính toán số liệu
chung được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên
các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng. Các
trạm điều khiển chuyển thông tin lên vệ tinh sử dụng dải sóng S (S-band), có tần số
trong khoảng 2ữ4 GHz, cao hơn tần số sóng tải L (L1, L2, L3).
Vai trỏ của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ là theo dõi, quan
sát các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàng,
trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng
hệ thống GPS. Các công việc quan sát và xử lý của điều khiển có thể coi là quy trình
thực hiện bài toán thuận nhằm có được vị trí vệ tinh quỹ đạo để cung cấp cho đoạn
sử dụng.
Cơ quan bản đồ thuộc Bộ quốc phòng Mỹ (DMA) đà phối hợp với một số
nước khác, xây dựng mạng lưới theo dõi hệ thống GPS trên toàn cầu nước
Achentina, Australia, Baranh, Equador, Anh vv… Nhê sù phèi hỵp víi mạng lưới
quan trắc rộng rÃi này, DMA sẽ xác định được ephemerit chính xác. Trên hình 1.4 là
vị trí các trạm tham gia trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS.


- 16 -

Hình 1.4: Đoạn điều khiển của hệ thống GPS năm 2002

Gần đây, số lượng trạm quan trắc GPS tăng lên để phục vụ cho dịch vụ định
vị DGPS trên toàn cầu GDGPS (Global Differential GPS). Nhiều cơ quan trắc địa
bản đồ của các quốc gia khác nhau, nhiều viện nghiên cứu, các trường đại học và
nhiều nhóm nghiên cứu ở mọi nơi trên thế giới đà có được các trạm quan trắc GPS
thường xuyên và sử dụng nó như sân sau để được sử dụng GPS với độ chính xác
cao. Trước hết phải kể đến những cố gắng của tổ chức Hợp tác quốc tế về lưới GPSCIGNET (Cooperative International GPS Network) và những kết quả đà đạt được
của Tổ chức quốc tế về ứng dụng GNSS là IGS (International GNSS Service), bắt
đầu hoạt động từ 01/01/1994.
1.1.1.3. Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu vệ
tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không
gian, trên đất liền, và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới.
Khi khai thác sử dụng công nghệ GPS, người ta có thể kết nối các thiết bị thu
tín hiệu GPS với một số các thiết bị thu phát khác để thực hiện các kỹ thuật đo động
tức thời (Real Time Kinematic-RTK), đo vi phân DGPS (Differential-GPS), đo vi
phân diện rộng WADGPS (Wide-Area-Differential-GPS). Trong kü tht WADGPS
cßn sư dơng vƯ tinh viễn thông địa tĩnh như là phương tiện trung gian để truyển số
cải chính vi phân tới các trạm đo trªn mét vïng réng lín.


- 17 -

Tùy vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác người ta đà chế tạo ra
nhiều loại máy thu GPS khác nhau. Cùng với các loại máy thu, người ta còn xây
dựng các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu đà nhận được từ vệ tinh.
Công việc xử lý thông tin nhằm giải quyết bài toán định vị một cách nhanh chóng và
chính xác.

Hình 1.5: Máy thu GPS

Hình 1.6: GPS dẫn đường cho các phương tiện

1.1.2. Hệ tọa độ WGS-84
Hệ trắc địa thế giới WGS-84 (World Geodetic System-84) là hệ tọa độ địa tâm
cố định với Trái đất ECEF (Earth Centered, EarthFixed) sử dụng cho hệ thống định
vị toàn cầu GPS. Hệ WGS-84 sư dơng Ellipsoid tham chiÕu cã c¸c tham sè kích
thước và hình dạng như sau:
- Bán trục lớn: a = 6378137,0m; §é dĐt f = 1/ 298,257223563
- H»ng sè trọng trường tổng hợp: à = GM = 3986005.108m3/s2
- Vận tốc góc chuyển động quay của Trái đất: E = 7292115.10-11rad/s
- Hệ số C 2.0 = -484,16685.10-6
Vị trí các trạm quan trắc của đoạn điều khiển hệ thống GPS được xác định
chính xác trong hệ WGS-84, chính như vậy nó bảo đảm cho sự tồn tại hệ WGS-84
trên thực tế. WGS-84 là một khung quy chiếu Trái đất quốc tế quy ước.
Hệ tọa độ vuông góc không gian X, Y, Z có gốc tọa độ 0 trùng với tâm
ellipsoid, trục Z trùng với bán kính nhỏ của ellipsoid (tròn xoay), trơc X lµ giao


- 18 -

điểm của mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến Greenwich. Trục Y vuông
góc với trục X và Z tạo thành một tam diện thuận.
Trong hệ WGS-84 cã thĨ biĨu diƠn vÞ trÝ cđa bÊt kú mét điểm nào trên mặt
đất hoặc bên ngoài Trái đất qua 3 thành phần tọa độ vuông góc không gian địa tâm
là X,Y, Z.
Tọa độ vệ tinh tính theo lịch vệ tinh quảng bá phục vụ cho các công tác đạo
hàng và đo đạc được xác định trong hệ WGS-84. Các mô hình trọng trường Trái đất
EGM (Earth Gravitational Models) như DMA10, OSU91A, EGM96, EGM2008
cũng được xây dựng trong hệ WGS-84.
Khung quy chiếu WGS-84 đà được nâng cấp vào các năm 1994 (tuần lễ 703

trong hệ thống giờ GPS), năm 1997 (tuần lễ 873) và năm 2002 (tuần lễ 1150).
Trong bảng 1.1 thống kê các lần xử lý nâng cấp khung quy chiếu WGS-84.
Bảng 1.1: Các lần nâng cấp khung quy chiếu WGS-84
TT

Tên gọi

Thời gian

Độ chính xác vị trí điểm

1

WGS-84 (G730)

6/1994

10cm

2

WGS-84(G873)

1/1997

5cm

3

WGS-84(G1150)

1/2002

1-2cm

Mỗi liên hệ giữa hệ WGS-84 và khung quy chiếu Trái ®Êt qc tÕ ITRF.xy
®­ỵc thĨ hiƯn qua 7 tham sè chuyển đổi tọa độ và được IGS công bố hàng năm. Sự
sai khác tọa độ giữa hệ WGS-84 và hệ ITRF-2005 chỉ còn cỡ vài cm.
Mọi tính toán định vị trong không gian và theo thời gian của GPS được thực
hiện trong hệ tọa độ WGS-84 và hệ thời gian chÝnh x¸c GPST (GPS Time)
1.1.3. C¸c m¸y thu tÝn hiƯu GPS
Có nhiều loại máy thu GPS, do nhiều hÃng chế tạo, mỗi loại được thiết kế
theo yêu cầu định vị đặc thù, như định vị dẫn đường, đo đạc vv Mặc dù chúng
khác nhau song các máy thu có sơ đồ cấu tạo tương tự nhau. Sơ đồ cấu tạo của máy
thu GPS được thể hiện trên hình sau:


- 19 -

Anten

Thiết bị điều khiển

Bộ tần số radio (RF)

Thiết bị ghi

Bộ vi xử lý

Bộ nguồn

Hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo của máy thu GPS
Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng, Nhờ các tiến bộ
kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tin tín hiệu số, các máy
thu GPS đà ngày một hoàn hảo. Các máy thu dân sự hiện nay có thể làm việc được
với đầy đủ bước sóng tải L1 và L2, L2C, L5 với khoảng cách giả C/A code và cả với
khoảng cách giả P-code. Một số hÃng chế tạo còn ra các máy thu đa hệ, có thể đồng
thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS, vệ tinh GLONASS và GALILEO vv
1.2. các nguyên lý định vị gps
1.2.1. Định vị tuyệt đối và phân loại
Định vị tuyệt đối là sử dụng 1 máy thu để xác định tọa độ điểm đặt máy X,
Y, Z (hoặc B, L, H) trong hệ WGS-84. Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm
(point positioning).
Trong công nghệ GPS, có thể thực hiện định vị tuyệt đối bằng các trị đo
khoảng cách giả, bằng các trị đo pha sóng tải hoặc kết hợp các trị đo trên. Trong
một vài trường hợp có thể sử dụng thêm các trị đo Doppler để giải bài toán định vị
tuyệt đối. Định vị tuyệt đối bằng các trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu code tựa
ngẫu nhiên, cho phép xác định tức thời vị trí điểm đặt máy, do đó được sử dụng phổ
biến cho công tác dẫn đường các phương tiện như tàu thuyền, máy bay, xe vv Lời
giải của bài toán này được gọi là giải đạo hàng (Navigation Solution).


- 20 -

1.2.1.1. Định vị tuyệt đối động và định vị tuyệt đối tĩnh.
a. Định vị tuyệt đối động
Máy thu luôn ở trong trạng thái chuyển động thu tín hiệu tại một thời điểm
đo, chúng ta sẽ nhận được giá trị tọa độ của điểm đó.
b. Định vị tuyệt đối tĩnh
Nếu để máy cố định tại một điểm, thu tín hiệu ở nhiều thời điểm đo, chúng ta
sẽ nhận được nhiều giá trị tọa độ của điểm đó. Giá trị trung bình của chúng sẽ có độ

chính xác cao hơn. Tuy nhiên trong trị trung bình đó vẫn còn chứa một số nguồn sai
số hệ thống đáng kể.
1.2.1.2. Định vị tuyệt đối chính xác (PPP)
Định vị tuyệt đối chính xác PPP (Precise Point Positioning) là kỹ thuật định
vị GPS sử dụng 1 máy thu để xác định tọa độ của điểm đặt máy trong hệ ITRF hay
WGS-84 với độ chính xác cỡ dm hoặc cm. Phương pháp này có thể áp dụng cho
định vị tĩnh hoặc định vị động, có thĨ thùc hiƯn xư lý sau hc xư lý tøc thời.
Ngay từ năm 1997, dựa trên mạng lưới GPS toàn cầu với các trạm quan sát
thường xuyên của IGS và khả năng chuyển dữ liệu tức thời qua Internet. Phòng thí
nghiệm phản lực JPL của Mỹ (Jet Propulsion Laboratory) đà đưa ra ý tưởng định vị
tuyệt đối chính xác tức thời PPP.
Với mục đích nghiên cứu khoa học và hỗ trợ cho công tác trắc địa-địa vật lý,
IGS và IAP (International Association of Geodesy) đà cung cấp (tức thời) các thông
tin quỹ đạo vệ tinh GPS với sai số khoảng 5cmữ10cm, các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ
tinh với độ chính xác cỡ ns, tham số quay của Trái đất và bản đồ toàn cầu về tầng
điện ly và tầng ®èi l­u cho ng­êi sư dơng víi gi¸n c¸ch tõ 30s đến 900s. Đó chính là
cơ sở để có thể triển khai định vị tuyệt đối chính xác.
Để định vị PPP, cần phải sử dụng phối hợp tất cả trị đo bằng máy thu 2 tần
số, gồm cả trị đo pha L1, L2, trị đo khoảng cách giả theo code C1, C2(L2C) và sử
dụng cả khoảng cách giả theo P1, P2 vốn chỉ được sử dụng cho các máy thu quân
sự.
Các phương trình trị đo khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh (s) theo pha
sóng tải ở hai tần số có dạng:


- 21 -

1 1s   s  1 N1s  c(t r  t s )  T s  I s / f12   1s

(1.1a)

2  2s   s   2 N 2s  c(t r  t s )  T s  I s / f 22 2s

(1.1b)

Các phương trình trị đo khoảng cách giả P1, P2 có dạng:
P1s s  c(t r  t s )  T s  I s / f12  br1  b1s   ps 1

(1.2a)

P2s   s  c(t r  t s )  T s  I s / f 22  br 2  b2s   ps 2

(1.2b)

Trong đó c là vận tốc ánh sáng, f1, f2 là các tần số sóng tải, 1 , 2 là các trị
đo pha (đơn vị chu kỳ), s là khoảng cách hình học đến vệ tinh, I là hệ số chiết
quang tầng điện ly, N1 , N 2 là các số nguyên đa trị trong đo pha, t r là sai số đồng hồ
máy thu, br là độ trễ đo phần cúng máy thu, b s là độ trễ tần số vệ tinh, là các nhiễu
của phép đo.
Trong các phương trình trị đo pha (1.1a), ngoài các ẩn số là tọa độ điểm đặt
máy (chứa trong giá trị s ), còn có thêm các ẩn số là các số nguyên đa trị N. Các ẩn
số N cũng cần được giải cùng với các ẩn số là tọa độ điểm máy. Vấn đề giải nhanh
số nguyên đa trị N trong các phương trình trị đo pha là rất quan trọng của bài toán
định vị PPP.
Các tổ hợp tuyến tính của phương trình trị đo (1.1) và (1.2) được sử dụng để
giải bài toán định vị tuyệt đối. Các tổ hợp tuyến tính được sử dụng là:
- Tổ hợp các khoảng cách giả theo pha:
L 

f12 1 1s  f 22  2  2s

f 12 f 22

(1.3)

- Tổ hợp các khoảng cách giả theo code:
LP  

f 12 P1s  f 22 P2s
f 12 f 22

(1.4)

Nhờ các tổ hợp tuyến tính (1.3) và (1.4), sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của tầng
điện ly trong phương trình trị đo khoảng cách giả theo pha và phương trình trị đo
khoảng cách giả theo code.
- Tổ hợp khoảng cách code và khoảng cách pha:
LP 

Pi s  i  is
2

víi i=1,2

(1.5)


- 22 -

Với tổ hợp tuyến tính trên, cũng sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly
trong các phương trình trị đo pha và code.

Qua thử nghiệm cho thấy có thể thực hiện định vị điểm tức thời chính xác với
sai số về vị trí mặt bằng khoảng 8-10cm và độ cao trắc địa khoảng 15-20cm. Để đạt
được độ chính xác cao như vậy, ngoài việc tính toán hiệu chỉnh ảng hưởng của tầng
điện ly, tầng đối lưu, còn phải tính các số hiệu chỉnh khác như lệch tâm anten phát
của vệ tinh trong hệ tọa độ cố định với vệ tinh, số hiệu chỉnh do thuyết tương đối
vv
1.2.1.3. Định vị GPS vi phân (DGPS)
Như chúng ta đà biết, để hạn chế độ chính xác thực tế của hệ thống GPS, Bộ
quốc phòng Mỹ đà gây nhiễu cố ý SA. Do nhiễu SA, độ chính xác định vị tuyệt đối
bằng các máy thu dân sự chỉ có thể đạt cỡ 100m. Từ giữa thập kỷ 1980, người ta đÃ
đưa ra giải pháp định vị GPS vi phân còn gọi là GPS vi sai DGPS (Differential GPS)
nhằm loại bỏ ¶nh h­ëng cđa nhiƠu cè ý SA b»ng c¸c sè cải chính được cung cấp từ
một hay nhiều trạm tham chiếu (Refference Stations). Trạm tham chiếu là trạm đÃ
biết tọa độ, đóng vai trò như trạm giám sát sai số của hệ thống, từ đó xác định số cải
chính để chuyển đến trạm động (rover) của người sử dụng.
a. Định vị GPS vi phân trạm tham chiếu đơn
Nếu có 2 máy thu GPS và một hệ thống truyền phát thông tin là có thể áp
dụng kỹ thuật DGPS. Theo phương pháp này, một máy thu đặt tại điểm đà biết tọa
độ gọi là trạm tham chiếu còn máy thu khác di chuyển (máy động) và sẽ được xác
định tọa độ với điều kiện tại cả hai máy số vệ tinh chung quan sat được không ít hơn
4.

Hình 1.8: Hệ thống định vị GPS vi phân 1 trạm tham chiếu


- 23 -

Vị trí đà biết của điểm đặt máy thu cố định sẽ được sử dụng để tính các số
hiệu chỉnh GPS dưới dạng các số hiệu chỉnh vị trí điểm, gọi là phương pháp hiệu
chỉnh vị trí (Position Method) hoặc hiệu chỉnh các khoảng cách code đà được quan

trắc, gọi là phương pháp hiệu chỉnh trị đo (Measurement Method). Các số hiệu chỉnh
này sẽ được chuyển đi bằng sóng vô tuyến đến máy động, tại trạm máy động lập tức
tính hiệu chỉnh vào vị trí điểm định vị để đạt được độ chính xác cao hơn so với
trường hợp định vị tuyệt đối.
Trong phương pháp hiệu chỉnh vị trí điểm, tại trạm tham chiếu A vào thời
điểm t sẽ tính được sai lệch tọa độ theo công thức đơn giản:
xt X A X A t 
y t   Y A  YA t 
z t   Z A  Z A t 

(1.6)

Trong ®ã: XA,YA,ZA lµ täa ®é ®· biÕt trong hƯ täa độ thực dụng của điểm A
XA(t),YA(t),ZA(t) là tọa độ định vị tuyệt đối bằng máy thu GPS đặt tại A ở
thời điểm t.
Hiệu tọa độ tính theo (1.6) được coi là số hiệu chỉnh vi phân và lập tức được
phát đi rộng rÃi theo phương thức vô tuyến cho các trạm định vị tuyệt đối khác để
kịp hiệu chỉnh vào kết quả định vị (coi như ở cùng thời điểm t).
Thí dụ tại điểm B, tọa độ định vị tuyệt đối XB(t),YB(t),ZB(t), khi đó tọa độ sau
cải chính vi phân sÏ lµ:
X B  X B t   xt 
YB  YB t   y t 

(1.7)

Z B  Z B t   z t 

Trong ph­¬ng pháp hiệu chỉnh trị đo, số hiệu chỉnh cho khoảng cách giả
từ máy thu A đến vệ tinh j được tÝnh:
 j t    j t   R j t

(1.8)

Trong đó: j t là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh j được tÝnh ra tõ täa
®é vƯ tinh X j t , Y j t , Z j t  ë thêi ®iĨm t vµ täa ®é ®· biÕt cđa ®iĨm tham chiÕu A
X A , YA , Z A . R j t là khoảng cách giả máy thu xác định được tại thời điểm t ở trạm

tham chiếu A.