GPS Thành phần, nguyên lý và các ứng dụng của hệ thống

I. GIỚI THIỆU:

Từ thời xa xưa, con người đã sử dụng thiên văn, la bàn và bản đồ để xác định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ.

Tuy nhiên phải đến năm 1995, khi các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động, nhu cầu định vị dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản.

Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban đầu, các hệ thống vệ tinh định vị đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự. Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu đã trở thành một ngành công nghiệp có doanh số hàng chục tỷ USD/năm và đang được phát triển mạnh mẽ.

Mô hình vệ tinh GPS

Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu là một ví dụ tiêu biểu cho sự kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản với nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ.

II. GPS LÀ GÌ?

NASTAR Global Positioning System (GPS) là hệ thống định vị dựa vào các vệ tinh. Nó có nhiều ưu điểm sau:

Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet.
Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất.
Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết.

GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự. Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ. Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn.

GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đã phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm. Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau:

Độ tin cậy cao của hệ thống không gian.
Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao.
Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác.
Công nghệ VLSI và quang phổ rộng.

III. CÁC THÀNH PHẦN CỦA GPS

Hệ thống GPS được chia làm 3 mảng:

Mảng không gian: bao gồm các vệ tinh, chúng truyền những tín hiệu cần thiết cho hệ tống hoạt động.
Mảng điều khiển: Các tiện ích trên mặt đất thực hiện nhiệm vụ theo dõi vệ tinh, tính toán quĩ đạo cần thiết cho sự quản lý mảng không gian.
Mảng người sử dụng: toàn thể các thiết bị thu và kỹ thuật tính toán để cung cấp cho người sử dụng thông tin về vị trí.

Các thành phần cơ bản của GPS

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.

Vệ tinh GPS

Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF.

Thế hệ vệ tinh đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm. Block II và IIA cũng do công ty này xây dựng nhưng nặng đến 900 kg. Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm. Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996. Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng. Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005.

Tính đến 2003 trên quĩ đạo có 26 vệ tinh Block IIA và IIR. Cấu hình quĩ đạo như sau:

Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn.
Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh.
Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°.
Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km.

Cấu trúc tín hiệu GPS

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 mạng.
Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mạng.
Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ tinh.

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 được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.

Các trạm điều khiển GPS trên thế giới

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.

3. MẢNG NGƯỜI SỬ DỤNG
Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách).
Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng).
Các quá trình điều hành

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên 1 tần số L1.
Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai tần số.

Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn. Ví dụ như Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,...
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+, Magenlan


Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật đo RTK khi đo địa hình trên bờ

IV. TRỊ ĐO GPS

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.

Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh

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.

Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

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.

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.

Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS

V. CÁC LOẠI ĐỊNH VỊ:

Độ chính xác định vị GPS không những chỉ phụ thuộc vào loại trị đo dùng trong xử lý mà còn phụ thuộc đáng kể vào kiểu định vị.

1. ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI
Còn được gọi là định vị điểm đơn. Trong kiểu này các trị đo được dùng là giả cự ly.


Kỹ thuật định vị tuyệt đối


Trị đo tuyệt đối khi dùng 1 vệ tinh

Trong thực tế chúng ta không đo được mà chỉ đo được khoảng cách r. Do đó cần ít nhất 3 vệ tinh khác nhau mới giải ra được toạ độ máy thu. Ngoài ra do đồng hồ của máy thu luôn có sai số nên phát sinh thêm một ẩn số nữa và do vậy cần có từ 4 vệ tinh trở lên.

Trị đo tuyệt đối khi dùng 3 vệ tinh

Trị đo chứa nhiều sai số dẫn đến toạ độ của máy thu có thể sai từ vài mét đến vài chục mét.

Các nguyên nhân chính gây ra sai số trong kỹ thuật định vị tuyệt đối:

Do vệ tinh: chiếm ¾ nguyên nhân, tức là sai số đồng hồ vệ tinh và các nhiễu trong công nghệ vệ tinh.
Do trạm điều khiển: là sai số trong việc dự đoán và tính toán quỹ đạo của vệ tinh. Thông tin này sẽ được truyền lên vệ tinh để mã hóa vào tín hiệu và truyền xuống cho máy thu.
Do quá trình truyền tín hiệu: cụ thể là sai số do tầng điện ly, do tầng đối lưu, sai số do việc tín hiệu bị phản xạ (hiện tượng đa đường) và nhiễu gây ra do việc truyền phát các tín hiệu khác.
Do máy thu: ví dụ như do nhiễu tại máy thu hay sai số đồng hồ của máy thu.

Các nguồn sai số chính trên gây ra các sai số cho các máy thu GPS cầm tay như bảng sau :

Bảng sai số theo 4 nguyên nhân

SPS-Standard Positioning Service : dịch vụ định vị chuẩn.

PPS-Precise Positioning Service : dịch vụ định vị chính xác.

Như vậy, các máy thu GPS cầm tay hoàn toàn có thể tạo ra sai số định vị > 5m trong điều kiện bình thường.Chỉ có các máy thu GPS đắt tiền, có khả năng đặc biệt mới có thể cho độ chính xác định vị cấp mm. VD: Các máy thu GPS 1 tần số, đặc biệt nếu dùng máy thu GPS 2 tần số thì khả năng định vị mới đạt được độ chính xác cao nhất trong điều kiện hiện nay.

2. ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI

Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được 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).

Kỹ thuật định vị tương đối

3. ĐỊNH VỊ ĐỘNG:
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, ...

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).

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).

Kỹ thuật định vị động

VI. ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ GPS:

Độ chính xác định vị GPS phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Tuy nhiên nếu chỉ dựa vào kiểu định vị và loại trị đo dùng trong xử lý, ta có thể tóm tắt trong bảng sau:

Bảng so sánh độ chính xác

VII. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG QUAN TRẮC CHUYỂN DỊCH NGANG CÔNG TRÌNH

Các công trình trong thời gian thi công xây dựng và trong quá trình khai thác sử dụng thường bị thay đổi vị trí của chúng trong không gian. Sự dịch chuyển công trình trong mặt phẳng ngang gọi là chuyển dịch ngang.

Bất kể do nguyên nhân gì gây ra thì sự chuyển dịch ngang của các công trình cũng đều có tác dụng rất xấu đến độ bền của nó.

Vì vậy, việc quan trắc chuyển dịch ngang công trình để đánh giá mức độ ổn định của nó hoặc để kịp thời có biện pháp làm giảm tốc độ chuyển dịch ngang là một việc làm có ý nghĩa hết sức quan trọng.

Tuy nhiên, nếu so sánh với việc quan trắc độ trồi lún của công trình thì việc quan trắc chuyển dịch ngang với độ chính xác cao là một việc làm hết sức khó khăn, phức tạp và tốn kém.
Một trong những vấn đề nan giải khác nữa của việc quan trắc chuyển dịch ngang công trình đó là việc xây dựng các mốc chuẩn. So với các mốc chuẩn trong quan trắc độ chuyển dịch theo phương đứng thì các mốc để quan trắc chuyển dịch ngang khó xây dựng xây dựng hơn nhiều và do đó chi phí cũng rất tốn kém.

Việt Nam là nước đang phát triển với mật độ xây dựng các công trình rất cao. Để đảm bảo công trình được ổn định và sử dụng lâu bền thì việc quan trắc độ chuyển dịch ngang là một nhiệm vụ không thể thiếu.

Với việc xuất hiện công nghệ đo đạc chính xác cao GPS, đã cung cấp cho ta một quy trình quan trắc chuyển dịch ngang một cách nhanh chóng, chính xác so với các thiết bị và phương pháp truyền thống.

VIII. ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ GPS SO VỚI PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG:

Không đòi hỏi tinh thông hướng giữa các trạm đo như ở phương pháp truyền thống.
Các vệ tinh có thể được quan sát trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia, lục địa, trong khi phương pháp truyền thống chỉ khống chế ở khu vực nhỏ hẹp.
Độ chính xác định vị cao và đang ngày càng được cải thiện.
Người điều hành tuy không cần quan tâm đến việc điều hành hệ thống nhưng vẫn có khả năng khai thác và sử dụng các tín hiệu của hệ thống dễ dàng.

DangMRV - Sưu tầm và tổng hợp trên Internet