Công nghệ GPS

1. GPS là gì?

GPS là một hệ thống chủ động trong mọi điều kiện thời tiết, hoạt động liên tục 24 giờ trong ngày, được vận hành và bảo trì bởi DoD (Department of Defense).

Hình 1: Chòm vệ tinh GPS trên 6 mặt phẳng quỹ đạo

Chiều cao bay của vệ tinh GPS cách mặt đất khoảng 20200 km. Các vệ tinh này phát tín hiệu xuống mặt đất, cho phép người sử dụng được vị trí, vận tốc, thời gian của mình ngay thời gian thực hoặc sau quá trình hậu xử lý. Các vệ tinh được bố trí trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, với mỗi quỹ đạo có từ 4 vệ tinh trở lên. Các quỹ đạo hợp với mặt phẳng xích đạo một góc 55^o.

Theo thiết kế, tại bất kỳ nơi nào trên trái đất cũng đều có thể quan sát được từ 4 đến 10 vệ tinh. Với số lượng vệ tinh càng nhiều thì khả năng thu nhận được tín hiệu từ hệ thống định vị GPS sẽ càng tăng. Cấu hình hiện tại (thời điểm 2010), trên quỹ đạo có khoảng 31 vệ tinh các thế hệ GPS II, IIA, IIR, IIR-M.

2. CÁC THÀNH PHẦN CỦA TÍN HIỆU GPS:

Hệ thống NAVSTAR GPS bao gồm 3 thành phần chính: bộ phận không gian, bộ phận điều khiển, và bộ phận người sử dụng.

Bộ phận không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền các tín hiệu cần thiết cho hệ thống hoạt động.

Bộ phận điều khiển: các trạm quan trắc trên mặt đất, thực hiện nhiệm vụ theo dõi các vệ tinh, tính toán dự báo vị trí vệ tinh cho thời điểm tương lai trước thời điểm hiện tại khoảng 2h.

Bộ phận người sử dụng: các thiết bị thu, và các kỹ thuật tính toán cần thiết để xác định chính xác vị trí người sử dụng.

2.1 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

Hình 2: Các vệ tinh GPS phát tín hiệu

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.

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

2.2 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 đượcxử 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.

Hình 3: Vị trí các trạm điều khiển GPS trên nước Mỹ

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)

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 2 tần số L1, L2.

- 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,…

+ 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 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+, Magellan,...

Hình 4: Các máy thu GPS trên mặt đất

3. GPS CÓ THỂ ĐO ĐƯỢC NHỮNG GÌ?

Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau:

Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P hay mã C/A. Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh. Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2. Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị đo duy nhất C1.

Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24 cm cho L2. Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể được đo đến mức độ milimét. Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh. Vì vậy để xử lý trị đo này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa.

Như vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1. Trong khi máy thu hai tần sẽ cung cấp đến 7 loại trị đo: C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2.

4. CÁC NGUỒN SAI SỐ CỦA GPS:

Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy thu vì khi tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị đo sai đến hàng trăm km. Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải được khắc phục và loại trừ trong xử lý.

- Môi trường khí quyển mà tín hiệu vệ tinh phải đi qua bao gồm:

Hình 5: Môi trường tín hiệu GPS đi qua

- Sai số do môi trường truyền tín hiệu và hiện tượng đa đường.

Hình 6: Ảnh hưởng đa đường lên tín hiệu máy thu

- Sai số do ảnh hưởng tầng điện ly, tầng đối lưu.

Hình 7: Ảnh hưởng tầng điện ly, tầng đối lưu lên tín hiệu máy thu

- Sai số do bản lịch vệ tinh.

- Sai số đồng hồ vệ tinh.

- Các giá trị nhiễu tại máy thu và sai số đồng hồ máy thu.

- Và nhiều nguồn sai số khác …

Hình 8: Cấu hình vệ tinh TỐT (bên trái), XẤU (bên phải)

5. CÁC KIỂU ĐỊNH VỊ GPS:

Định vị tuyệt đối: Còn được gọi là định vị điểm đơn. Trong kiểu này các trị đo được dùng là giả cự ly.

Hình 9: Kỹ thuật định vị tuyệt đối thường thấy trong các máy định vị GPS cầm tay

Loại trị đo được sử dụng trong kiểu định vị tương đối là trị đo giả cự ly, đây là loại trị đo miễn phí độ chính xác thấp.

Định vị tương đối: Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được khủ hoặc giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu và/ hoặc hai vệ tinh. Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung. Kết quả xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu (còn gọi là baseline vector).

Hình 10: Kỹ thuật định vị tương đối

Các kỹ thuật đo động (DGPS hoặc GPS RTK): Nếu trường hợp máy thu không đứng yên mà chuyển động liên tục thì ta gọi đó là định vị động. Định vị động có độ chính xác kém hơn định vị tĩnh (trường hợp máy thu đứng yên) nhưng có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như quản lý, điều khiển các đối tượng động tàu, xe, .v.v... Định vị động cũng có hai kiểu: tuyệt đối và tương đối. Kiểu tương đối được ưa chuộng hơn vì độ chính xác tốt hơn.

Trong trường hợp này, một máy thu được đặt cố định tại một điểm đã biết tọa độ (gọi là base receiver hay reference station), máy thu thứ hai gắn trên các đối tượng động (gọi là rove receiver hay mobile station).

Hình 11: Kỹ thuật đo DGPS

Nếu trạm tĩnh có trang bị thêm bộ phận phát radio để phát các thông tin (bao gồm vị trí trạm tĩnh và các số hiệu chỉnh khác) về phía trạm động để trạm này giải ra ngay tọa độ của mình thì ta gọi đây là kiểu định vị động thời gian thực (Real Time Kinematic – RTK).

Hình 12: Kỹ thuật đo động thời gian thực RTK