Đo lường và cảm biến - Chương 9: Hệ thống định vị toàn cầu

Nội dung text: Đo lường và cảm biến - Chương 9: Hệ thống định vị toàn cầu

1. Chương 9 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU 9.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU Hệ thống định vị toàn cầu thường gọi là GPS (Global Positioning System) dùng để chỉ hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ thiết kế và điều hành. Bộ Quốc phòng Mỹ thường gọi GPS là NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Vệ tinh đầu tiên của GPS được phóng vào tháng 2 năm 1978, vệ tinh gần đây nhất là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng vào tháng 12 năm 2005. GPS bao gồm 24 vệ tinh (tính đến năm 1994), đã được bổ sung thành 28 vệ tinh (vào năm 2000), chuyển động trong 6 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 55 so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất. Độ cao trung bình của vệ tinh GPS so với mặt đất vào khoảng 20.200 km 9.1.1 Phân đoạn GPS GPS bao gồm 3 phân đoạn: phân đoạn không gian, phân đoạn điều khiển, phân đoạn người sử dụng (Hình 9.1). Phân đoạn không gian chính là các vệ tinh đang hoạt động. Mỗi vệ tinh GPS phát đi tín hiệu, bao gồm những thành phần sau: hai sóng sin ( thành phần sóng mang), hai chuỗi dữ liệu số, và một thông điệp điều hướng. Dữ liệu số và thông điệp điều hướng kết hợp với sóng mang bằng cách điều chế nhị phân biphase (Hình 9.2). Sóng mang và chuỗi dữ liệu số chủ yếu được sử dụng để xác định khoảng cách từ máy thu của nguời sử dụng đến những vệ tinh GPS. Thông điệp điều hướng bao gồm tọa độ của vệ tinh,tọa độ này biểu diễn dưới dạng hàm biến đổi theo thời gian và một số thông tin cần thiết khác. Tín hiệu phát được điều khiển bởi những đồng hồ nguyên tử (atomic clocks) có độ chính xác cao onboard trên những vệ tinh. Hình 9.1 Những phân đoạn GPS Hình 9.2: Mã hóa tín hiệu dùng phương pháp biphase Phân đoạn điều khiển của hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới rộng khắp những trạm theo dõi (tracking station), với một trạm điều khiển chính (MCS-master control station) định vị ở Colorado Springs, Colorado, the United States. Nhiệm vụ ban đầu của phân đoạn điều khiển là theo dõi dấu vết của những vệ tinh GPS để mà định vị và tiên đoán vị trí vệ tinh, tình trạng hệ thống, hoạt động của đồng hồ nguyên tử, dữ liệu khí quyển, niên giám vệ tinh (the satellite almanac) (tín hiệu này chứa những thông tin về vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo và được lưu vào Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 89
2. bộ nhớ của máy thu, khi vệ tinh di chuyển thì các thông tin này cũng liên tục được cập nhật vào máy thu cùng với qua các tín hiệu mà nó gửi đi), và một số thông tin khác. Thông tin sau đó được đóng gói và upload lên những vệ tinh GPS thông qua đường link băng S. Phân đoạn người sử dụng bao gồm dân thường và quân đội.Với một bộ thu GPS kết nối với một antenna GPS, một người sử dụng có thể thu được tín hiệu GPS. 9.1.2 Những thế hệ vệ tinh GPS Hình 9.3: Những thế hệ vệ tinh GPS hiện hành Ban đầu, chòm sao vệ tinh GPS được xây dựng với một chuỗi 11 vệ tinh, gọi là những vệ tinh Khối I. Vệ tinh đầu tiên trong chuỗi này (và trong hệ thống GPS) bắt đầu hoạt động vào ngày 22 tháng 2 năm 1978, cái cuối cùng bắt đầu hoạt động vào ngày 9 tháng 10 năm 1985. Những vệ tinh Khối I được xây dựng chủ yếu dùng vào thí nghiệm. Góc nghiêng mặt phằng quỹ đạo của những vệ tinh này, so với đường xích đạo là 63, sau đó được sửa đổi trong những thế hệ vệ tinh theo sau. Mặc dù thời gian sống trong thiết kế của những vệ tinh Khối I là 4.5 năm, một vài cái đã duy trì trong dịch vụ nhiều hơn 10 năm. Vệ tinh Khối I cuối cùng được rút ra khỏi hệ thống dịch vụ vào ngày 18 tháng 11 năm 1995. Thế hệ vệ tinh thứ hai gọi là những vệ tinh Khối II/IIA. Khối IIA là một phiên bản cao hơn Khối II, với sự tăng lên trong khả năng lưu trữ dữ liệu thông điệp điều hướng từ 14 ngày đối với Khối II đến 180 ngày đối với khối IIA. Điều này có nghĩa rằng những vệ tinh Khối II và Khối IIA có thể thực hiện chức năng một cách liên t ục ,mà không cần có sự hỗ trợ từ mặt đất, trong những khoảng thời gian từ 14 đến 180 ngày, tương ứng lần lượt với hai hệ thống. Tổng cộng 28 vệ tinh Khối II/IIA được thi hành trong khoảng thời gian từ tháng hai, 1989 đến tháng 11 năm 1997 Không giống như vệ tinh Khối I, mặt phẳng quỹ đạo của những vệ tinh Khối II/IIA có góc nghiêng là 55 so với mặt phẳng xích đạo. Thời gian sống thiết kế cho những vệ tinh Khối II/IIA là 7.5 năm, nhưng thực tế thường vượt quá con số này. Để đảm bảo an ninh quốc gia,một vài tính năng bảo mật bao gồm: khả năng có thể lựa chọn(SA-selective availability) và chống lừa đảo (antispoofing) đã được thêm vào cấu trúc tín hi ệu của những vệ tinh Khối II/IIA. Khối IIR bao gồm 21 vệ tinh với thời gian sống được thiết kế là 10 năm. Thêm vào đó, nhờ vào độ chính xác cao hơn như mong đợi, những vệ tinh Khối IIR có khả năng hoạt động một cách độc lập trong khoảng thời gian ít nhất là 180 ngày mà không cần sự điều chỉnh từ mặt đất hoặc là xảy ra thoái hóa độ chính xác. Khả năng định vị tự trị của thế hệ vệ tinh này đạt được một phần nhờ vào các vệ tinh này có khả năng sắp xếp lẫn nhau (mutual satellite ranging capabilities.). Với sự hỗ trợ của ephemeris và dữ liệu clock được upload lên định kỳ trong khoảng thời gian 210 ngày bởi phân đoạn điều khiển mặt đất nhằm hỗ trợ định vị tự trị. Hầu hết những tính năng này được thêm vào 12 vệ tinh cuối cùng của Khối IIR, nằm trong chương trình hiện đại hóa GPS, được tiến hành vào đầu năm 2003. Vào tháng 7 năm 2001, sáu vệ tinh Khối IIR đã hoạt động thành công. Theo sau Khối IIR là khối IIF (flow-on), bao gồm 33 vệ tinh. Khoảng thời gian sống của mỗi vệ tinh là 15 năm. Những vệ tinh khối IIF có những khả năng mới nhờ vào chương trình hiện đại hóa GPS, cải thiện một cách ấn tượng tính chính xác trong chế độ định vị GPS tự trị. 9.1.3 Chòm sao GPS hiện hành Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 90
3. Chòm sao GPS hiện hành chứa 5 vệ tinh Khối II, 18 vệ tinh Khối IIA, và sáu vệ tinh Khối IIR. Như vậy, tổng số vệ tinh GPS trong chòm sao hiện hành là 29, vượt quá chòm sao-24 vệ tinh thông thường 5 vệ tinh.Tất cả những vệ tinh Khối I đã không còn hoạt động nữa. Những vệ tinh GPS được đặt trong sáu mặt phẳng quỹ đạo, những mặt phẳng quỹ đạo này được dán nhãn từ A đến F. Khi mà hiện tại, hệ thống có nhiều vệ tinh hơn chòm sao 24-vệ tinh thông thường, một mặt phẳng quỹ đạo có thể chứa 4 hoặc là 5 vệ tinh. Tất cả mặt phẳng quỹ đạo đều có 5 vệ tinh, ngoại trừ mặt phẳng quỹ đạo C- chỉ có 4 vệ tinh. Những vệ tinh có thể được nhận dạng bởi nhiều hệ thống khác nhau. Hệ thống nhận dạng vệ tinh phổ biến nhất trong cộng đồng người sử dụng GPS là SVN (Space Vehicle Number) và PRN (Pseudo Random Noise) (vd: SVN-48/PRN-07 là vệ tinh thứ sáu của Khối IIR-M gồm 31 vệ tinh). Khối vệ tinh II/IIA được trang bị với bốn đồng hồ nguyên tử onboard: hai cesium (Cs) và hai rubidium (Rb). Đồng hồ cesium được sử dụng làm đồng hồ thời gian sơ cấp để điều khiển tín hiệu GPS. Tuy nhiên, những vệ tinh khối IIR chỉ sử dụng đồng hồ rubidium. 9.1.4 Những vị trí điều khiển (control sites) Phân đoạn điều khiển của GPS bao gồm một trạm điều khiển chính (MCS) và những trạm điều khiển mặt đất (Hình 9.3) Hình 9.3: Những vị trí điều khiển Có 5 trạm giám sát, định vị tại Colorado Springs (với MSC), Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia, và đảo Ascension. Vị trí ( hoặc tọa độ) của những trạm giám sát này được xác định chính xác. Mỗi trạm giám sát được trang bị với những bộ thu GPS chất lượng cao và một bộ dao động Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 91
4. cesium nhằm mục đích theo dấu vết liên tục tất cả những vệ tinh GPS trong tầm nhìn. Ngoài ra, ba trạm giám sát (Kwajalein, Diego Garcia, và Ascension Island) còn được trang bị với những antenna mặt đất để upload thông tin tới những vệ tinh GPS. Tất cả những trạm giám sát và những trạm điều khiển mặt đất không được duy trì hoạt động liên tục, và được MCS điều khiển từ xa. Những quan sát GPS thu thập được từ những trạm giám sát được phát tới MCS để xử lý. Kết quả xử lý bao gồm dữ liệu điều hướng vệ tinh, vị trí vệ tinh như là một hàm của thời gian, tham số đồng hồ vệ tinh, dữ liệu khí quyển, niên giám vệ tinh (satellite almanac), và những thông tin cần thiết khác. Dữ liệu điều hướng tươi mới này được gửi tới một trong những trạm điều khiển mặt đất để upload lên những vệ tinh GPS thông qua đường link băng S. 9.2 GPS – MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mỗi vệ tinh GPS phát liên tục một tín hiệu vô tuyến tạo thành tổng thể từ hai sóng mang, hai mã và một thông điệp điều hướng. Khi bộ thu GPS ở vị trí ON, nó sẽ thu lấy tín hiệu thông qua antenna bộ thu. Một khi bộ thu nhận được tín hiệu GPS, nó sẽ xử lý nhờ vào những phần mềm tích hợp bên trong. Kết quả xử lý bao gồm các khoảng cách tới những vệ tinh GPS (còn gọi là tầm giả -the pseudoranges) và tọa độ vệ tinh được xác định thông qua thông điệp điều hướng. Theo lý thuyết chỉ duy nhất cần 3 khoảng cách đến 3 vệ tinh mà được theo dấu vết một cách đồng thời. Trong trường hợp này, bộ thu sẽ được định vị tại chỗ giao nhau của ba hình cầu, mỗi hình cầu này có m ột bán kính tương ứng với khoảng cách vệ tinh-bộ thu và tâm là vệ tinh đó (Hình 9.4). Tuy nhiên, thực tế phải cần đến 4 vê tinh để mô tả độ lệch giữa đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh. Hình 9.4: Nguyên tắc cơ bản định vị GPS Cho đến tận gần đây, độ chính xác khi miêu tả với phương thức này, được giới hạn 100 m theo tiêu chuẩn chính xác ngang, 156m theo tiêu chuẩn chính xác dọc, và 340 ns đối với thành phần thời gian, khả năng xảy ra là 95%. Mức chính xác thấp này liên quan tới ảnh hưởng của SA (Selective Availability), một kỹ thuật được sử dụng để làm suy giảm một cách có chủ tâm tính chính xác trong chế độ định vị thời gian thực tự trị (the autonomous real-time positioning accuracy) với những người sử dụng không được cấp phép. Với quyết định của Tổng thống Mỹ về việc loại bỏ kỹ thuật này, độ chính xác theo tiêu chuẩn ngang được trông đợi cải thiện khoảng 22m (khả năng có thể xảy ra là 95 %). Xa hơn nữa, để cải thiện tính chính xác trong định vị GPS, một kỹ thuật gọi là phương pháp vi sai được sử dụng, trong đó sử dụng hai bộ thu theo dấu vết đồng thời cùng một vệ tinh. Trong trường hợp này, có thể đạt được mức độ chính xác định vị từ dưới một centimet tới vài met. Lợi ích khác của GPS là khả năng mô tả vận tốc của người sử dụng, mà có thể được xác định bởi vài phương pháp. Phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất là đánh giá tần số Doppler của tín hiệu GPS thu được. Biết rằng độ dịch Doppler được xem như là chuyển động tương đối giữa bộ thu và vệ tinh. Ngoài ra, GPS còn có thể được sử dụng để mô tả thuộc tính của những bộ phận cứng (body), như là máy bay hoặc là tàu biển. Từ “thuộc tính” ở đây có nghĩa là sự định hướng hoặc phương hướng của một thân thể cứng, mà có thể được miêu tả bởi ba góc xoay của ba trục của một thân thể cứng cùng với sự lưu tâm đến hệ thống tham chiếu (reference system). Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 92
5. Thuộc tính này được miêu tả bằng cách trang bị phần thân tối thiểu là 3 bộ thu GPS (hoặc một bộ thu đặc biệt) kết nối với ba antenna, mà được sắp xếp thành một đường không thẳng. Dữ liệu được tập hợp tại bộ thu sau đó được xử lý để thu được thuộc tính của phần thân cứng này. 9.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GPS 9.3.1 Hoạt động cơ bản Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu mang thông tin xuống Trái Đất. Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng. Về bản chất, máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được tín hiệu tại bộ thu. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa. Rồi với các khoảng cách đo được từ bộ thu đến vệ tinh, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy thu GPS phải khóa được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động của vệ tinh. Với bốn hay nhiều hơn số lượng vệ tinh hiện diện trong tầm nhìn, máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính thêm các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, khoảng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thông tin khác nữa. 9.3.2 Hoạt động của GPS có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau Khi các vệ tinh ở quá gần nhau, chúng sẽ khiến việc xác định vị trí chính xác trở nên khó khăn hơn. Vì tín hiệu radio đi từ vệ tinh xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, tốc độ cần thiết để tín hiệu truyền tới thiết bị nhận sẽ bị chậm đi. Hệ thống GPS có dự phòng điều đó bằng cách tính thêm khoảng thời gian chậm trễ trung bình, nhưng cũng không được hoàn toàn chính xác. Chướng ngại lớn như các dãy núi hay các toà nhà cao tầng cũng làm cho thông tin bị sai lệch. Giữa thiết bị nhận (nhất là của người dùng cá nhân) với vệ tinh (có thể không hoàn toàn trùng khớp về mặt thời gian, và các vệ tinh đôi khi chạy lệch khỏi quỹ đạo. 9.3.3 Độ chính xác của GPS Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng. Các máy thu 12 kênh song song (của Garmin) nhanh chóng bám sát các quả vệ tinh khi vừa mới được bật điện lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán lá rậm rạp hoặc trong thành phố với các toà nhà cao tầng. Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét. Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Wide Area Augmentation System) có thể có được lợi điểm của WAAS. Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét. Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này. Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu chỉnh. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ănten để dùng cùng với máy thu GPS của họtăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét. 9.4 CHI TIẾT VỀ GPS 9.4.1 Tín hiệu GPS Các vệ tinh GPS phát hai tín hiệu vô tuyến công suất thấp dải L1 và L2 (dải L là phần sóng cực ngắn của phổ điện từ trải rộng từ 0,39 tới 1,55 GHz). Mỗi máy phát của vệ tinh đều có bộ dao động tạo tần số 10.23MHz ổn định nhờ vào đồng hồ nguyên tử Cesi. Tần số này được Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 93
6. nhân 154 lần để được tần số L1 = 1575,45MHz (có bước sóng l = 19cm) và nhân 120 lần để được tần số L2 = 1227,6MHz (có bước sóng l = 24cm). Tín hiệu phát GPS bao gồm 2 mã hiệu là mã P (Precise) và mã C/A (Coarse Acquisition). Mã P (Pseudo-random) là 1 dãy các phần tử (chip) gồm các số 0 và 1, tần số phần tử là 10,23 Mbit, chiều dài mỗi phần tử là 99,75 ns (nano second). Chiều dài 1 dãy phần tử ở mã P là 1 tuần. Hàng tuần vào 00h00 chủ nhật lại bắt đầu 1 dãy/chuỗi mới. Như vậy chuỗi phần tử của mã P rất dài và không lặp lại gây khó khăn cho việc đồng pha và xác định thời gian truyền sóng, nhưng nó có ưu điểm là nâng cao được độ chính xác và có thể hạn chế việc sử dụng mã P chỉ cho một số đối tượng người sủ dụng nhất định (các mục đích quân sự). Mã P cung cấp vị trí với độ chính xác cao 10-16m (Chế độ định vị chính xác Precise Positioning Service - PPS). chỉ có các máy thu đặc biệt mới có thể thu được tín hiệu mã P và từ đó có được vị trí có độ chính xác cao. Tín hiệu mã P được phát trên cả 2 tần số L1 và L2. Mã C/A (Coarse Acquisition) là 1 dãy các phần tử, tần số phần tử là 1,023 Mbit, chiều dài mỗi phần tử là 0,9975 microsecond (gấp 10 lần so với mã P), chiều dài dãy là 1 ms và dãy(chuỗi) phần tử được lặp lại sau mỗi ms đó. Mã C/A cung cấp vị trí với độ chính xác kém hơn mã P, khoảng dưới 50m (Chế độ định vị tiêu chuẩn Standard Positioning Service - SPS). Nhưng thực tế hàng hải coi như độ chính xác là nhỏ hơn 100 m. Chế độ định vị này áp dụng cho mọi loại máy thu dân dụng. Mã C/A chỉ phát trên tần số L1. Cả 2 mã P và C/A đều chứa các bản tin vệ tinh (satellite message) có tốc độ dữ liệu là 50 bit/s. Như vậy, các máy thu dân dụng sử dụng chế độ định vị tiêu chuẩn bằng mã C/A sẽ có độ chính xác kém so với chế độ định vị chính xác bằng mã P về một số nguyên nhân sau: - Chuỗi tín hiệu của mã P rất dài và không lặp lại gây khó khăn cho việc đồng pha để xác định thời gian truyền sóng, các máy thu thông thường cũng không có khả năng tạo chuỗi mô hình giống như chuỗi thật, nên không thể thu được mó P. - Mã P được phát trên 2 tần số, do các tần số khác nhau nên sự khúc xạ của sóng khi qua các tầng khí quyển của Trái đất. Máy thu quân sự có thể thu được cả 2 tần số này, so sánh kết quả và tính toán được khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu. Trong khi máy thu thông thường chỉ thu tần số L1 nên không loại trừ được sai số khúc xạ nói trên. - Mã tín hiệu C/A chịu một sai số do các bản tin vệ tinh bị cố ý làm sai lệch đi, máy thu không thể xác định chính xác thời gian truyền sóng từ vệ tinh đến máy thu, do đó độ chính xác của vị trí bị suy giảm đi. Đồng hồ của máy thu đặc biệt là loại đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao, cao hơn nhiều so với đồng hồ điện tử của máy thu thông thường. Chiều dài chip của mã P chỉ bằng 1/10 so với mã C/A, do đó nó có thể đo thời gian truyền sóng với độ chính xác cao hơn nhiều so với mã C/A. GPS dân sự dùng tần số L1= 1575.42MHz trong dải UHF. Tín hiệu truyền trực thị, có nghĩa là chúng sẽ xuyên qua mây, thuỷ tinh và nhựa nhưng không qua phần lớn các đối tượng cứng như núi và nhà. L1 chứa hai mã "giả ngẫu nhiên" (pseudo random), đó là mã Protected (P) và mã Coarse/Acquisition (C/A). Mỗi một vệ tinh có một mã truyền dẫn nhất định, cho phép máy thu GPS nhận dạng được vệ tinh thông qua tín hiệu. Mục đích của các mã tín hiệu này là để tính toán khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu GPS.Tín hiệu GPS chứa ba thành phần thông tin khác nhau mã giả ngẫu nhiên, dữ liệu thiên văn và dữ liệu lịch. Mã giả ngẫu nhiên đơn giản chỉ là mã định danh để xác định được quả vệ tinh nào đã và đang phát thông tin nào. Có thể nhìn số hiệu của các quả vệ tinh trên trang vệ tinh của máy thu Garmin để biết nó nhận được tín hiệu của quả nào. Dữ liệu thiên văn cho máy thu GPS biết quả vệ tinh ở đâu trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày. Mỗi quả vệ tinh phát dữ liệu thiên văn chỉ ra thông tin quỹ đạo của vệ tinh đó và các vệ tinh khác trong hệ thống. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 94
7. Dữ liệu lịch được phát đều đặn bởi mỗi quả vệ tinh, chứa thông tin quan trọng về trạng thái của vệ tinh (tốt hay không tốt), ngày giờ hiện tại. Phần này của tín hiệu là cốt lõi để có thể tiến hành định vị. Tín hiệu điều hướng GPS là một chuỗi dữ liệu được thêm vào cả hai sóng mang L1 và L2 bằng phương pháp điều chế biphase nhị phân với tốc độ phát là 50Kbps. Nó bao gồm 25 frame, mỗi frame gồm 1,500 bit, tổng cộng là 37,500 bit. Do đó, để truyền dẫn hoàn toàn thông điệp điều hướng phải mất hết 750 giây hoặc là 12.5 phút. Thông điệp điều hướng bao gồm những thông tin như: tọa độ của vệ tinh GPS dưới dạng hàm của thời gian, tình trạng vệ tinh, thông tin hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, niên giám vệ tinh và dữ liệu khí quyển. Mỗi vệ tinh truyền dẫn thông điệp điều hướng của chính nó cùng với thông tin của những vệ tinh khác, bao gồm vị trí gần chính xác của vệ tinh và tình trạng hoạt động. 9.4.2 Hiện đại hóa GPS Cấu trúc tín hiệu GPS hiện hành được thiết kế vào năm 1970, cách đây khoảng 41 năm. Trong những năm sắp tới, Hy vọng chòm sao GPS có thêm sự kết hợp của những vệ tinh Khối IIR, Khối IIF và có khả năng là những vệ tinh Khối III. Để đáp ứng những đòi hỏi tương lai, các nhà chế tạo GPS đã nghiên cứu một vài phương án để điều chỉnh cụ thể nhằm sửa đổi một cách thích hợp cấu trúc tín hiệu và kiến trúc hệ thống cùa chòm sao GPS tương lai. Chương trình đổi mới này nhắm đến việc cung cấp độ dư thừa tín hiệu (signal redundancy) và cải thiện tính chính xác định vị, tín hiệu luôn sẵn dùng và tích hợp hệ thống. Chương trình hiện đại hóa bao gồm: Bổ sung mã C/A trên sóng mang L2 và mã quân sự mới (mã M) trên cả hai sóng mang L1 và L2. Điều chế mã C/A trên cả hai tần số sóng mang L1 và L2 cho phép người sử dụng với chỉ duy nhất một bộ thu GPS có thể thu được tín hiệu chính xác mặc dù vẫn chịu ảnh hưởng của tầng điện ly. Sau khi loại bỏ SA và số lượng vệ tinh đã đầy đủ cùng với những tính năng mới, hy vọng rằng độ chính xác theo tiêu chuẩn ngang của hệ thống GPS sẽ đạt được khoảng 8.5m (95% thời gian) hoặc tốt hơn. Điều chế mã C/A vào sóng mang L2, mặc dù cải thiện độ chính xác của hệ thống GPS, nhưng vẫn chưa chắc chắn để sử dụng trong những ứng dụng hàng không dân dụng vì những ứng dụng này đòi hỏi đảm bảo an toàn tuyệt đối. Nguyên nhân chủ yếu là do nguồn gây can nhiễu rất lớn từ những rada mặt đất hoạt động gần dải L2. Như vậy, để đáp ứng những yêu cầu của người sử dụng hàng không, tín hiệu dân dụng thứ ba có tần số 1,176.45 Mhz (gọi là L5) sẽ được thêm vào 12 vệ tinh đầu tiên của khối IIRF cùng với mã C/A trên L2 và mã M trên L1 và L2. So với L1 và L2, L5 có năng lượng cao hơn. Ngoài ra, L5 có một băng thông quảng bá rộng (tối thiểu là 20Mhz), tốc độ bit cao hơn (10.23Mhz), do đó cung cấp độ chính xác cao hơn trong điều kiện nhiễu và đa đường. Mã mới sẽ dài hơn mã C/A hiện tại, do đó giảm được sự tự can nhiễu hệ thống thông qua việc cải thiện những đặc tính tương quan chéo và tự động (auto and cross correlation). Cuối cùng, xét đến thông điệp điều hướng quảng bá của L5, dù mang dữ liệu nhiều hơn hoặc ít hơn so với những kênh L1 và L2, sẽ có một cấu trúc hoàn toàn khác biệt và hiệu quả hơn. Bổ sung những khả năng này sẽ cải thiện một cách đáng kể tính chính xác trong định vị của hệ thống GPS tự trị.Tương tự, những người sử dụng chế độ định vị RTK (Real-Time Kinematic) có thể phân tích được ngay lập tức những tham số nguyênambiguity lúc đầu. Hiện đại hóa GPS bao gồm luôn cả việc nghiên cứu những vệ tinh thế hệ Khối III kế tiếp, dự kiến hoàn thành vào năm 2030. Cuối cùng, những phương tiện điều khiển tại mặt đất của hệ thống GPS cũng sẽ được nâng cấp lên như một phần của chương trình hiện đại hóa GPS. Cùng với sự nâng cấp này, độ chính xác theo tiêu chuẩn ngang của hệ thống GPS được chờ đợi sẽ là 6 m (95% thời gian) hoặc tốt hơn. 9.4.3 Những dạng bộ thu GPS: Những bộ thu GPS thương mại có thể được chia thành 4 loại, xét đến khả năng thu của từng loại. Đó là: single frequency code receivers; single frequency carrier smoothed code receivers; single frequency code and carrier receivers; dual frequency receiver. Những bộ thu Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 95
8. đơn tần chỉ duy nhất truy cập tần số L1, trong khi nh ững bộ thu song tần truy cập cả tần số L1 và L2 (chèn hình bộ thu). Ngoài ra, các bộ thu GPS còn được xếp loại dựa vào số lượng kênh mà nó có thể thu được, thay đổi từ 1 đến 12 kênh. Một bộ thu GPS tốt sẽ có chức năng đa kênh, với mỗi kênh dành để quan sát liên tục riêng một vệ tinh. Hiện tại, hầu hết những bộ thu GPS đều có từ 9 đến 12 kênh độc lập (hoặc song song). Các đặc điểm khác như:giá cả, dễ sử dụng, tiêu thụ năng lượng, kích thước và trọng lượng,khả năng lưu trữ dữ liệu bên trong và mở rộng bên ngoài, khả năng giao tiếp sẽ được xem xét khi lựa chọn mua một bộ thu GPS. Dạng bộ thu GPS đầu tiên, singlefrequency code receivers, khi tiến hành đo đạc tầm giả (pseudoranges) chỉ sử dụng duy nhất mã C/A. Không một đo đạc nào khác sẵn dùng. Đây là dạng bộ thu rẻ nhất và đồng thời cũng ít chính xác nhất, hầu như được sử dụng vì mục đích giải trí. Dạng bộ thu thứ hai, single frequency carrier smoothed code receivers, cũng chỉ dùng duy nhất mã C/A để đo đạc tầm giả nhưng kết hợp thêm tần số sóng mang có độ phân tích cao hơn bên trong máy để xử lý số liệu đo đạc được, do đó tầm giả mà máy đo sẽ có độ chính xác cao hơn. Những số liệu mà dạng bộ thu thứ ba đo đạc được bao gồm: tầm giả dùng mã C/A dưới dạng thô, kết quả đo đạc pha-sóng mang L1, và thông điệp điều hướng. Ngoài ra, dạng bộ thu này cũng có khả năng thực hiện các chức năng giống với những dạng bộ thu kia. Bộ thu song tần là dạng bộ thu đắt tiền nhất và tinh vi nhất. Trước khi kích hoạt AS, bộ thu này có khả năng xuất ra tất cả những thành phần tín hiệu GPS (sóng mang L1 và L2, mã C/A, mã P trên cả L1 và L2, và thông điệp điều hướng). Tuy nhiên, sau khi kích hoạt AS, mã P được mã hóa thành mã Y. Do đó, bộ thu không thể xuất ra ngoài mã P hoặc là sóng mang L2 sử dụng kỹ thuật thu tín hiệu truyền thống. Để giải quyết vấn đề này, những nhà sản xuất bộ thu GPS đã phát minh ra nh ững kỹ thuật không đỏi hỏi thong tin của mã Y. Hiện tại, hầu hết những bộ thu sử dụng hai kỹ thuật phổ biến bao gồm kỹ thuật theo dõi dấu vết – Z (Z-tracking) và kỹ thuật tương quan chéo (cross- correlation). Cả hai kỹ thuật này khôi phục lại được sóng mang L2 một cách đầy đủ nhất nhưng cường độ tín hiệu đã bị suy giảm nhiều. Độ suy giảm này trong kỹ thuật tương quan cao hơn so với kỹ thuật Z. 9.4.4 Những hệ thống thời gian Thời gian thực hiện một vai trò quan trọng trong định vị với GPS. Tín hiệu GPS được điều khiển bởi những thiết bị đo thời gian chính xác đồng hồ nguyên tử. Ngoài ra, đo lường khoảng cách vệ tinh bộ thu đều dựa trên cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ bộ thu.Ngoài ra, GPS cũng là một hệ thống đo lường thời gian, được sử dụng để đồng bộ hóa thời gian. Nhiều hệ thống thời gian được sử dụng trên toàn thế giới với nhiều mục đích khác nhau. Trong số đó, Coordinated Universal Time (UTC) và GPS Time là hai hệ thống thời gian quan trọng nhất đối với người sử dụng GPS. UTC là một hệ thống dựa trên International Atomic Time (TAI). TAI là thang đo thời gian (time scale) chính thức, được tính toán dựa trên những thang đo thời gian (time scale) độc lập mà được phát ra bởi những đồng hồ nguyên tử đặt tại các phòng thí nghiệm thời gian khác nhau trên toàn thế giới. Tuy nhiên, công việc trắc địa và điều hướng đòi hỏi một hệ thống thời gian có mối liên hệ với hoạt động xoay tròn của Trái đất (không phải là đồng hồ nguyên tử). Phương pháp giải quyết: điều chỉnh thường xuyên thang đo thời gian (time scale) UTC bằng cách tăng lên 1s, gọi là giây nhuận (leap seconds), để giữ nó sai lệch chỉ 0.9 giây đối với một thang đo thời gian (time scale) khác gọi là Universal Time 1(UT1), với UT1 là thang đo thời gian quốc tế có mối liên hệ với hoạt động xoay tròn của trái đất. Những leap-second thỉnh thoảng được đưa vào ngày 30/6 hoặc là vào ngày 31/12. Kể từ tháng 7 năm 2001, leap second được đưa vào lần cuối vào ngày 1, tháng 1 năm 1999, đã tạo ra sai số giữa TAI và UTC chính xác đến 32 giây (TAI ở giá trị cao hơn UTC). GPS Time là thang đo thời gian (time scale) được sử dụng để tham khảo, hoặc là gắn kèm thời gian với tín hiệu GPS. Thang đo này được tính toán dựa trên những thang đo thời gian mà được phát ra bởi những đồng hồ nguyên tử tại những trạm giám sát và trên những vệ tinh GPS onboard. Không có leap second nào được đưa vào GPS Time, do đó GPS Time là một thang đo thời gian (time scale) liên t ục. GPS Time được thiết lập trùng với UTC vào ngày 6/1/1980. Tuy nhiên, liên quan đến những leap second được đưa UTC, GPS Time nhanh hơn Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 96
9. UTC 13 giây vào ngày 1/1/1999. Thông tin sai số giữa UTC và GPS Time gắn kèm trong thông điệp điều hướng GPS. Cả đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh GPS đều sai lệch so với GPS Time, nguyên nhân từ lỗi của cả đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh. Đo đạc tầm giả Tầm giả (pseudorange) là khoảng cách giữa bộ thu GPS và vệ tinh GPS (chính xác hơn là giữa anten của bộ thu và anten của vệ tinh). Khoảng cách từ bộ thu đến vệ tinh là một thông số cần thiết để tính toán vị trí. Mã P hoặc mã C/A có thể được sử dụng để đo lường tầm giả (Hình 9.5). Thủ tục để xác định tầm giả GPS có thể được mô tả như sau. Chúng ta hãy tạm thời thừa nhận rằng đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh hoàn toàn đồng bộ với nhau. Khi mà mã PRN được phát ra từ vệ tinh, bộ thu cũng sẽ phát ra một bản sao giống hệt mã đó. Sau một khoảng thời gian, tương đương với khoảng thời gian tin hi ệu truyền đi trong không gian, mã phát sẽ được thu bởi bộ thu. Bằng cách so sánh mã phát và bản sao của nó, bộ thu có thể tính toán được thời gian mà tín hiệu truyền đi tính từ lúc phát. Thực hiện phép nhân tín hiệu với tốc độ của ánh sáng (299729458 m/s) cho ra kết quả là khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu. Tuy nhiên, giữa đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh không hề đồng bộ. Trong thực tế, khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát đo được đã bị sai lệch bởi lỗi đồng bộ giữa đồng hồ bộ thu và vệ tinh, cùng với những lỗi khác nữa. Vì vậy thông số đã đo được gọi là tầm giả (pseudorange) chứ không phải là một tầm thực sự. GPS được thiết kế để mà tầm đo bởi mã dân dụng C/A phải kém chính xác hơn khi dùng mã quân sự P. Bởi vì độ phân giải của mã C/A là 300m, nhỏ hơn 10 lần so với mã P. Nhưng với sự cải tiến trong công nghệ thu, độ chính xác đạt được gần như là tương tự đối với cả hai mã. Đo đạc pha sóng mang Hình 9.10: Đo đạc pha sóng mang Một cách khác để đo đạc khoảng cách vệ tinh-bộ thu là sử dụng kỹ thuật đo lường pha sóng mang. Bộ thu và vệ tinh phát ra cùng một tín hiệu sóng mang trong cùng thời điểm. Bộ thu so sánh tín hiệu sóng mang đã bị trì hoãn do vệ tinh phát với sóng mang của chính bộ thu đó phát ra. Khoảng cách được tính bằng cách cộng số bước sóng đầy đủ của sóng mang với độ dịch pha (đo được tại bộ thu, khoảng ~1% chiều dài bước sóng) (Hình 9.11). Kết quả đo được chính xác Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 97
10. hơn khi đo đạc dùng mã. Nguyên nhân bởi vì bước sóng của sóng mang đối với L1 là 19 cm, còn L2 là 24 cm - nhỏ hơn rất nhiều so với độ rộng bit của mã. Tuy nhiên, có một vấn đề. Những sóng mang này đều là những sóng sin thuần túy, vì vậy tất cả chu kỳ đều giống nhau. Do đó, bộ thu GPS không có cách nào để có thể phân biệt chu kỳ này với chu kỳ kia. Nói cách khác, bộ thu không thể nào xác định được số lượng bước sóng truyền giữa vệ tinh và bộ thu. Vì vậy, số lượng bước sóng đầy đủ cần phải xác định gọi là tham số ambiguity. May mắn là bộ thu có khả năng phát hiện những sự thay đổi pha. Do đó tham số ambiguity duy trì không đổi toàn thời gian, miễn là không xảy ra mất mát tín hiệu. Hình 9.11: số bước sóng đầy đủ của song mang; final portion: độ dịch pha 9.4.5 Trượt chu kỳ (cycle slip) Trượt chu kỳ là sự gián đoán nào đó bên trong đo lường pha sóng mang, gây ra bởi sự mất mát tín hiệu tạm thời (Hình 9.12). Mất mát tín hiệu liên quan đến những chướng ngại vật mà cản trở tín hiệu vệ tinh GPS như là: những tòa nhà, cây, cầu và nhiều đối tượng khác. Chủ yếu là do tín hiệu GPS yếu và can nhiễu tín hiệu.Can nhiễu tín hiệu radio, tình trạng rối loạn tầng điện ly mãnh liệt, và trở kháng cao của bộ thu cũng gây ra sự mất mát tín hiệu. Trượt chu kỳ cũng có thể bị gây ra bởi những trục trặc của chính bộ thu. Trượt chu kỳ có thể xảy ra trong một thời gian ngắn hoặc có thể duy trì trong vài phút, thậm chí có thể hơn. Trượt chu kỳ có thể ảnh hưởng đến một tín hiệu vệ tinh hoặc nhiều hơn. Trượt tín hiệu phải được nhận dạng hoặc được điều chỉnh để mà tránh gây lỗi lớn đến những tọa độ định vị được tính toán. Có vài phương pháp để thực hiện điều này. Kiểm tra quan sát sai phân bộ ba (triple difference observable), phương pháp này có thể được định hình bằng cách kết hợp những quan sát GPS khác nhau theo một cách nào đó, đây là phương pháp phổ biến nhất trong thực tế. Một trượt tín hiệu (cycle slip) sẽ chỉ duy nhất ảnh hưởng đến một sai phân bộ ba (triple difference) và do đó nó sẽ chỉ xuất hiện như một gai trong chuỗi dữ liệu sai phân bộ ba. Trong một vài trường hợp, như là xảy ra những hoạt động mạnh liệt trong tầng điện ly, thật khó để dò ra và sửa chữa một cách chính xác trượt tín hiệu (cycle slip) sử dụng phương pháp quan sát sai phân bộ ba (triple difference observable). Kiểm tra lại độ dư thừa điều chỉnh (adjustment residuals) có thể có ích trong việc dò ra bất kỳ trượt chu kỳ còn lại nào. Hình 9.12: Trượt chu kỳ GPS Một phương pháp gọi là kiểm tra baseline mức không (zero baseline test) được sử dụng để dò ra trượt tín hiệu mà nguyên nhân gây ra là do trục trặc bộ thu. Đối với phương pháp này, hai bộ thu được kết nối đến một anten thông qua một bộ chia tách tín hiệu (splitter). Trượt chu kỳ có thể được dò bằng cách kiểm tra độ dư thừa điều chỉnh (adjustment residuals). Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 98
11. 9.5 NHỮNG DẠNG LỖI CỦA GPS Cả tầm giả GPS và những đo đạc pha sóng mang đều bị ảnh hưởng bởi các lỗi (errors and biases). Những lỗi này có thể được phân lớp dựa vào nguồn gốc phát sinh tại vệ tinh, tại bộ thu, nguồn gốc phát sinh liên quan đến quá trình truyền tín hiệu (như là độ khúc xạ của khí quyển) (figure). Những lỗi nguồn gốc từ vệ tinh bao gồm ephermeris hoặc còn gọi là lỗi quỹ đạo (vì vệ tinh có thể đi chệch quỹ đạo chút ít nên trạm điều khiển mặt đất sẽ lưu giữ các thông tin về quỹ đạo ,độ cao, vị trí và tốc độ của vệ tinh. Những thông tin này từ vệ tinh phát xuống trung tâm điều khiển, ở đây nó sẽ được xử lý và gửi lên vệ tinh để hiệu chỉnh, thông tin chính xác sau khi được xử lý thường theo tần xuất 4-6 h một lần - được gọi là ephermeris sẽ được gửi theo tín hiệu vệ tinh đến máy thu), những lỗi đồng hồ vệ tinh, và ảnh hưởng của lỗi nhân tạo SA. SA được cố tình đưa vào bởi U.S, DoD nhằm làm suy giảm tính chính xác của hệ thống GPS tự trị vì những lý do bảo mật. Tuy nhiên, SA đã bị loại bỏ vào ngày 1/5/2000. Những lỗi có nguồn gốc tại bộ thu bao gồm: lỗi đồng hồ bộ thu, lỗi đa đường, nhiễu bộ thu, và những thay đổi pha trung tâm của anten. Lỗi truyền tín hiệu bao gồm trì hoãn tín hiệu GPS khi đi qua tầng điện ly và tầng đối lưu của bầu khí quyển. Thực tế, chỉ duy nhất trong môi trường chân không thì tín hiệu GPS mới di chuyển hoặc truyền dẫn được với tốc độ ánh sáng. Ngoài ra, độ chính xác định vị của GPS khi tính toán còn bị ảnh hưởng bởi vị trí hình học của những vệ tinh GPS được quan sát bởi bộ thu. Những vệ tinh GPS càng trải rộng ra trên bầu trời thì độ chính xác đạt được càng cao. Một vài lỗi này có thể được làm giảm đi hoặc bị khử bỏ bằng cách thông qua phương pháp kết hợp tuyến tính những quan sát GPS. Ví dụ như, kết hợp những quan sát L1 và L2 sẽ loại bỏ được gần như hoàn toàn ảnh hưởng của tầng điện ly. Mô hình toán học của những lỗi này hoàn toàn có thể xác định được. 9.5.1 Lỗi ephermeris GPS Vị trí của vệ tinh là một hàm theo thời gian, hiện diện trong thông điệp điều hướng vệ tinh quảng bá, có thể được dự đoán trước từ những sự quan sát GPS trước đó tại những trạm điều khiển mặt đất. Điển hình, dữ liệu GPS xếp chồng trong mỗi khoảng thời gian 4h được sử dụng bởi những hệ thống điều khiển chức năng để dự báo trước những thành phần quỹ đạo vệ tinh mới trong mỗi chu kỳ là 1 giờ. Nói chung, mô hình các lực tác động lên vệ tinh thường là không hoàn hảo, gây ra một vài lỗi đối với những vị trí vệ tinh đã được xác định, gọi là lỗi ephermeris. Thông thường, những lỗi ephemeris vào khoảng từ 2m đến 5m, và có thể là 50m dưới ảnh hưởng của SA. Những lỗi khoảng cách từ sự kết hợp của lỗi ephemeris và lỗi đồng hồ vệ tinh có giá trị là 2.3m (Hình 9.13). Hình 9.13: Những dạng lỗi GPS Lỗi ephemeris của một vệ tinh là lỗi điển hình đối với tất cả mọi người sử dụng GPS trên toàn thế giới. Tuy nhiên, những người sử dụng khác nhau thấy cùng một vệ tinh dưới những góc nhìn khác nhau, ảnh hưởng của lỗi ephemeris đối với đo lường khoảng cách và vị trí đã tính toán thì Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 99
12. khác nhau. Do đó, kết hợp (lấy sai phân) những đo đạc khác nhau của hai bộ thu theo dấu vết đồng thời đồng thời cùng một vệ tinh không thể nào loại bỏ hoàn toàn lỗi ephemeris. Tuy nhiên, với những người sử dụng hệ thống GPS gần nhau về không gian, hầu như chắc chắn sẽ có một lỗi khoảng cách điển hình, liên quan đến lỗi ephemeris, mà có thể được loại bỏ dễ dàng thông qua việc lấy sai phân những quan sát. 9.5.2 Selective availability Ban đầu, GPS được thiết kể để mà định vị và điều hướng tự trị, thời gian thực với những bộ thu mã C/A sẽ ít chính xác h ơn đối với những bộ thu mã quân sự-mã P. Nhưng xét trên thực tế, cả hai bộ thu đều chính xác như nhau. Để đảm bảo an ninh quốc gia Mỹ đã kích hoạt SA trên những vệ tinh GPS Khối II nhằm loại bỏ độ chính xác trong định vị tự trị thời gian thực. SA chính thức hoạt động vào ngày 25/3/1990 (Hình 9.14). Hình 9.14: Những thay đổi vị trí định vị khi có SA SA tạo ra hai dạng lỗi. Dạng đầu tiên gọi là lỗi delta, nguyên nhân xuất phát từ những tác động đối với đồng hồ vệ tinh, đây là lỗi phổ biến đối với tất cả người sử dụng trên toàn thế giới. Dạng thứ hai gọi là lỗi epsilon, hay còn gọi là lỗi quỹ đạo thay đổi chậm. Với SA, những lỗi ngang và dọc có thể lên tới 100m và 156m, với 95 % khả năng có thể xảy ra. Tương tự như lỗi khoảng cách liên quan đến lỗi ephemeris, lỗi khoảng cách liên quan đến lỗi epsilon hầu như là điển hình đối với những người sử dụng GPS có khoảng cách gần nhau về không gian. Do đó, sử dụng hệ thống GPS sai phân (DGPS) sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của lỗi epsilon. Xét trong thực tế DPGS cung cấp độ chính xác tốt hơn bộ thu mã P độc lập, liên quan đến khả năng loại trừ hoặc giảm thiểu những lỗi thông thường, bao gồm cả SA. Chính phủ Mỹ đã loại bỏ SA vào ngày 1/5/2000, kết quả là độ chính xác của hệ thống GPS đã được cải thiện nhiều. Độ chính xác theo tiêu chuẩn ngang và dọc lần lượt là 22m và 33m (95 % khả năng có thể xảy ra) (Hình 9.15). Hình 9.15: Những thay đổi vị trí định vị sau khi loại bỏ SA Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 100
13. Mặc dù sự kiện loại bỏ SA không ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của DGPS, nhưng cũng giúp ích trong việc giảm chi phí cài đặt và điều hành hệ thống DGPS. Nguyên nhân chủ yếu bởi sự suy giảm đối với tốc độ truyền dẫn theo yêu cầu. 9.5.3 Lỗi đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh Mỗi vệ tinh GPS Khối II và Khối IIA đều có 4 đồng hồ nguyên tử: 2 đồng hồ cesium và 2 đồng hồ rubidium. Những thế hệ vệ tinh mới hơn, Khối IIR, chỉ có duy nhất đồng hồ loại rubidium. Một trong những đồng hồ này, ban đầu là đồng hồ cesium đối với cả Khối II và Khối IIA, được lựa chọn để cung cấp tần số và những yêu cầu về thời gian nhằm phát ra tín hiệu GPS. Những cái còn lại chỉ là dự phòng. Những đồng hồ vệ tinh GPS, mặc dù có độ chính xác cao, nhưng lại không hoàn hảo. Độ ổn định trong khoảng từ 1/1013 hoặc 2/1013 qua mỗi chu kỳ một ngày. Do đó, lỗi đồng hồ vệ tinh vào khoảng 8.64 đến 17.28ns mỗi ngày. Lỗi khoảng cách tương ứng vào khoảng 2.59 m đến 5.18 m, ta có th ể dễ dàng tính toán bằng cách thực hiện phép nhân lỗi đồng hồ với tốc độ ánh sang (~299,729,458m/s). So sánh với đồng hồ rubidium, những đồng hồ cesium có khuynh hướng hoạt động tốt hơn qua mỗi chu kỳ thời gian dài hơn. Trong thực tế, độ ổn định của đồng hồ cesium qua mỗi chu kỳ 10 ngày hoặc hơn tăng lên nhiều. Hoạt động của đồng hồ vệ tinh được giám sát bởi trạm điều khiển mặt đất. Gía trị sai lệch được tính toán, rồi phát đi như một phần của thông điệp điều hướng dưới dạng ba hệ số của một đa thức bậc hai. Lỗi đồng hồ vệ tinh khiến cho đo đạc GPS đã sai số lại càng sai số hơn. Những lỗi này phổ biến đối với tất cả người sử dụng GPS đang quan sát cùng một vệ tinh và có thể được loại bỏ thông qua phương pháp lấy sai phân những quan sát bộ thu. Điều chỉnh lại giá trị đồng hồ vệ tinh trong thông điệp điều hướng cũng chính là điều chỉnh lại lỗi đồng hồ vệ tinh. Tuy nhiên, biện pháp điều chỉnh này gây ra sai số khoảng vài nano giây, tương ứng với lỗi tầm trong khoảng vài met (lỗi một nano giây tương ứng với lỗi tầm khoảng 30 cm). Trái lại, những bộ thu GPS chỉ sử dụng đồng hồ thạch anh, có độ chính xác thấp hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử. Như vậy, lỗi đồng hồ bộ thu sẽ lớn hơn nhiều so với lỗi đồng hồ vệ tinh. Tuy nhiên, có thể loại bỏ lỗi này thông qua tính sai phân giữa những vệ tinh khác nhau, hoặc có thể xem đây như là một tham số vô danh nào đó trong tiến trình đánh giá. Những đồng hồ ngoại chính xác hơn (thường là cesium hoặc là rubidium) được sử dụng trong một vài ứng dụng thay thế cho những đồng hồ thạch anh nội. Mặc dù đồng hồ nguyên tử ngoại có khả năng hoạt động chính xác hơn nhiều, nhưng chúng lại rất mắc tiền, trị giá đến vài ngàn dollar cho đồng hồ loại rubidium, $20,000 đối với đồng hồ cesium. 9.5.4 Lỗi đa đường Hình 9.16: Hiệu ứng đa đường Lỗi đa đường là nguồn lỗi cơ bản cho cả đo đạc pha sóng mang và đo đạc tầm giả. Lỗi đa đường xảy ra khi tín hiệu GPS đến tại anten máy thu thông qua nhiều đường khác nhau. Những đường này có thể là đường trực tiếp của tín hiệu tới hoặc đường tín hiệu phản xạ từ những vật thể xung quanh anten (Hình 9.16).Lỗi đa đường làm méo dạng tín hiệu GPS gốc từ can nhiễu của những tín hiệu phản xạ tại anten thu. Lỗi đa đường ảnh hưởng đối với cả pha sóng mang và tầm giả; tuy nhiên, ảnh hưởng trong đo lường tầm giả lớn hơn trong đo lường pha sóng mang. Ảnh hưởng của lỗi đa đường đối với đo lường pha sóng mang có thể đạt đến giá trị cực đại là một Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 101
14. phần tư chu kỳ (khoảng 4.8cm đối với sóng mang L1). Lỗi đa đường ảnh hưởng đến tầm giả, về mặt lý thuyết, có thể đạt đến vài chục met đối với mã C/A. Tuy nhiên, với những kỹ thuật mới, tiên tiến trong công nghệ bộ thu, lỗi đa đường ảnh hưởng đến tầm giả đã được giảm đi một cách đáng kể. 9.5.5 Lỗi pha trung tâm của anten Một anten GPS thu tín hệu vệ tinh đến và sau đó chuyển đổi năng lượng của tín hiệu thành dòng điện. Điểm mà tại đó tín hiệu GPS được thu gọi là trung tâm pha anten. Nói chung, trung tâm pha anten không trùng với trung tâm hình học của anten. Trung tâm pha của anten thay đổi phụ thuộc vào góc nâng (elevation ) và góc phương vị (azimuth) của vệ tinh GPS cũng như là cường độ của tín hiệu thu (Hình 9.17). Hình 9.17: Góc phương vị Độ lớn của lỗi phụ thuộc vào dạng anten, điển hình thường vào khoảng vài centimet. Tuy nhiên, thật khó để có thể mô hình hóa những thay đổi trung tâm pha của anten, do đó chỉ có thể lưu tâm đến việc chọn lựa dạng anten. Đối với những baseline ngắn, cùng một dạng anten tại mỗi đầu cuối, lỗi pha trung tâm có th ể loại bỏ nếu những anten này hướng theo cùng một hướng. Sử dụng những anten khác nhau hoặc là sử dụng những độ định hướng khác nhau sẽ không loại bỏ được lỗi này. Đa số là lỗi này bị bỏ qua trong hầu hết những ứng dụng GPS. Những lỗi pha trung tâm pha có thể khác nhau đối với những sự quan sát pha-sóng mang L1 và L2. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác trong phương pháp kết hợp tuyến tính tự do tầng điện ly, đặc biệt khi quan sát những baseline ngắn. Đối với baseline ngắn, những lỗi này có tính tương quan cao với nhau qua khoảng cách và sẽ bị loại bỏ thong qua sai phân. Do đó, sử dụng một tần số duy nhất là thích hợp hơn cả đối với những baseline ngắn trong chế độ tĩnh. 9.5.6 Trì hoãn tầng điện ly Tại phần cao nhất của bầu khí quyển Trái đất, bức xạ tia cực tím và tia X đến từ mặt trời tương tác với những phân tử và nguyên tử không khí. Kết quả là sự ion hóa không khí: hình thành một số lượng lớn những electron mang điện tích âm tự do và những nguyên tử, phân tử mang điện tích dương tự do. Một vùng như vậy gọi là tầng điện ly. Tầng điện ly mở rộng từ một độ cao xấp xỉ khoảng 50km đến khoảng 1,000km hoặc hơn. Nói chung, giới hạn bên trên của tầng điện ly không được xác định rõ ràng. Mật độ electron bên trong tầng điện ly không phải là hằng số, nó thay đổi theo độ cao. Do đó, tầng điện ly được chia ra thành nhiều tầng con, dựa vào mật độ electron. Những tầng này được đặt tên lần lượt là D (50-90 km), E (90-140 km), F1 (140-210 km), và F2 (210-1,000 km), với F2 là tầng có mật độ electron cực đại. Độ cao và độ dày của những tầng này thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào độ bức xạ của mặt trời và vùng từ trường của Trái đất. Ví dụ như: Tầng F1 biến mất suốt đêm, và dễ nhận thấy vào mùa hè hơn là vào mùa đông. Tầng điện ly là môi trường phân tán, nó bẻ cong tín hiệu GPS và thay đổi tốc độ của tín hiệu GPS khi tín hiệu GPS đi xuyên qua những tầng điện ly khác nhau để tiến đến bộ thu GPS. Bẻ cong đường dẫn tín hiệu GPS gây ra lỗi không đáng kể, đặc biệt là trong trường hợp góc ngẩng của vệ tinh lớn hơn 5. Nhưng nếu tầng điện ly ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn, từ đó gây ra những lỗi khoảng cách thì cần phải xem xét đến. Tầng điện ly sẽ tăng tốc độ truyền dẫn của pha sóng mang vượt qua tốc độ ánh sáng, đồng thời nó sẽ làm chậm lại mã PRN (cũng như là Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 102
15. thông điệp điều hướng) với cùng một lượng. Như vậy, khoảng cách giữa bộ thu và vệ tinh sẽ là quá ngắn nếu đo bằng pha-sóng mang, hoặc là quá dài nếu đo bằng mã PRN, khi so sánh với khoảng cách thực sự. Trì hoãn tầng điện ly tương ứng với một số lượng electron tự do nằm dọc theo đường truyền của tín hiệu GPS, số lượng electron này gọi là TEC (total electron content). Tuy nhiên, TEC phụ thuộc vào một vài thông số sau: - Thời gian trong ngày (mật độ electron đạt mức cực đại vào khoảng đầu buổi trưa và đạt mức cực tiểu vào khoảng nữa đêm tính theo giờ địa phương) . - Thời gian trong năm (mật độ electron vào mùa đông cao hơn mùa hè). - Chu kỳ mặt trời mỗi 11 năm (mật độ electron đạt đến giá trị cực đại mỗi 11 năm, thời điểm này tương ứng với một đỉnh trong hoạt động lóe sáng của mặt trời gọi là đỉnh chu kỳ mặt trời-solar cycle peak ). - Vị trí địa lý (mật độ electron đạt mức cực tiểu tại những vùng midlatitude (vùng này nằm trong khoảng vĩ độ 23 26′22" Bắc và 66 33′39" Bắc; 23 26′22" Nam và 66 33′39" Nam ) và không theo một quy luật nào tại vùng xích đạo và vùng địa cực trái đất). Tầng điện ly là môi trường phân tán, mức trì hoãn mà nó gây ra phụ thuộc vào tần số của tín hiệu. Tần số càng thấp thì độ trì hoãn càng lớn; vì vậy nên trì hoãn tầng điện ly đối với sóng mang L2 cao hơn đối với sóng mang L1. Nói chung, trì hoãn tầng điện ly thường vào khoảng từ 5m đến 15m, nhưng có thể vượt quá con số 150m trong điều kiện mặt trời hoạt động tích cực, vào giữa ngày và gần với địa tầng (horizon). Mật độ electron thay đổi theo thời gian và vị trí. Tuy nhiên, mật độ electron có tính tương quan cao xét trong những khoảng cách ngắn, do đó, lấy sai phân những quan sát GPS giữa những người sử dụng gần nhau về không gian có thể loại bỏ phần lớn trì hoãn tầng điện ly. Dựa vào tính chất phân tán của tầng điện ly, trì hoãn tầng điện ly có thể được mô tả với độ chính xác cao bằng cách kết hợp đo đạc tầm giả sử dụng mã P trên cả L1 và L2. Nhưng không may, mã P chỉ có thể được truy nhập duy nhất bởi người dung được cấp phép. Cùng với sự bổ sung mã C/A thứ hai trên L2, gi ới hạn này đã bị loại bỏ. Kết hợp đo lường pha sóng mang trên cả L1 và L2 để mô tả những thay đổi trong trì hoãn tầng điện ly. Những người sử dụng bộ thu GPS song tần có thể kết hợp với đo lường phasóng mang L1 và L2, từ đó tạo ra tín hiệu kết hợp tuyến tính tự do tầng điện ly (Ionosphere-free linear combination) nhằm loại bỏ trì hoãn tầng điện ly. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm: - Nhiễu quan sát cao hơn. - Không duy trì bản chất số nguyên của những tham số ambiguity. Do đó, phương pháp này không được đề nghị đối với những baseline ngắn. Những người sử dụng bộ thu đơn tần sẽ không tận dụng được ưu điểm nhờ vào bản chất phân tán của tầng điện ly. Tuy nhiên, họ có thể sử dụng một trong những mô hình tầng điện ly có sẵn, có thể giảm thiểu tới 60% độ trì hoãn. Mô hình được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình Klobuchar, những hệ số của nó được phát đi như một phần của thông điệp điều hướng. Một cách giải quyết khác đối với những người sử dụng bộ thu đơn tần là sử dụng những thông tin điều chỉnh từ mạng thông tin địa phương. Những thông tin điều chỉnh như vậy có thể được thu vào thời gian thực thông qua những đường liên kết thông tin cộng đồng. 9.6 CHẾ ĐỘ ĐỊNH VỊ GPS Định vị GPS được tiến hành theo một trong hai cách: định vị điểm hoặc là định vị tương đối. Định vị điểm GPS sử dụng một bộ thu GPS bộ thu này được sử dụng để đo lường tầm giả sử dụng mã (code pseudorange) nhằm mô tả vị trí của người sử dụng ngay tức thời, miễn là bộ thu có thể nhìn thấy từ bốn đến năm vệ tinh. Độ chính xác định vị theo tiêu chuẩn ngang từ bộ thu mã dân dụng C/A đã giảm xuống khoảng 100m khi SA còn tồn tại,và giảm đi khoảng 22 m khi SA bị loại bỏ. Định vị điểm GPS được sử dụng khi không đòi hỏi độ chính xác cao. Bao gồm những ứng dụng giải trí và điều hướng chính xác thấp. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 103
16. Tuy nhiên, định vị tương đối GPS sử dụng hai bộ thu để quan sát đồng thời cùng một vệ tinh.Nếu cả hai bộ thu theo dấu vết ít nhất bốn vệ tinh, ta có thể đạt được mức định vị chính xác cao từ dưới centimet đến vài mét. Những số liệu đo đạc pha sóng mang hoặc và tầm giả có thể được sử dụng trong chế độ định vị tương đối GPS, phụ thuộc vào yêu cầu về độ chính xác. Đối với hai phương pháp đo đạc này, sử dụng đo đạc pha-sóng mang cho độ chính xác cao hơn. Định vị tương đối GPS có thể được thực hiện trong chế độ thời gian thực hoặc chế độ post-mission. Định vị tương đối GPS được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như là trắc địa hoặc vẽ bản đồ, GIS, và điều hướng chính xác. 9.6.1 Định vị điểm GPS Định vị điểm GPS còn gọi là định vị tự trị bao gồm chỉ duy nhất một bộ thu GPS. Trong đó bộ thu GPS theo dấu vết đồng thời 4 vệ tinh GPS hoặc hơn để mô tả tọa độ của nó so với gốc tọa độ là trung tâm của Trái đất (Hình 9.18). Hầu như tất cả những bộ thu GPS có mặt trên thị trường đều có khả năng hiển thị tọa độ định vị điểm. Hình 9.18: Nguyên tắc định vị điểm GPS Bất cứ lúc nào, để mô tả vị trí điểm của bộ thu, đòi hỏi phải có tọa độ của những vệ tinh cũng như là khoảng cách từ bộ thu đến bốn vệ tinh đó. Bộ thu có được tọa độ của vệ tinh thông qua thông điệp điều hướng, còn khoảng cách thì có được từ mã C/A hoặc là mã P, phụ thuộc vào dạng của bộ thu (dân dụng hay quân sự). Như đã đề cập trước đó, đo lường tầm giả bị làm sai lệch đi bởi lỗi đồng bộ giữa đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh. Điều chỉnh lỗi đồng hồ vệ tinh có thể được thực hiện trong thông điệp điều hướng; lỗi đồng hồ bộ thu được xem là một tham số phụ nào đó trong tiến trình đánh giá. Như vậy, có tổng cộng 4 tham số: ba tham số là tọa độ của bộ thu và tham số còn lại là lỗi đồng bộ đồng hồ bộ thu.Đây là lý do tại sao ta cần tối thiểu đến bốn vệ tinh. Nếu như có nhiều hơn bốn vệ tinh thì kỹ thuật lọc Kalman được sử dụng. Khi mà tọa độ vệ tinh thuộc về hệ thống WGS 84 thì tọa độ bộ thu cũng tương tự. Tuy nhiên, hầu hết những bộ thu GPS đều cung cấp tham số chuyển đổi giữa WGS 84 và nhiều datum cục bộ trên khắp thế giới. 9.6.2 Định vị tương đối GPS Định vị tương đối GPS còn được gọi là định vị sai phân, sử dụng hai bộ thu GPS để theo dấu vết cùng một vệ tinh nhằm mô tả những tọa độ tương đối của nó. Một trong hai bộ thu này gọi là bộ thu nền, nó duy trì vị trí cố định với một tọa độ được xác định trước. Kỹ thuật định vị thì rất đa dạng, chúng được sử dụng để định vị thời gian thực hoặc là định vị postprocessing (postmission). Định vị tương đối GPS có độ chính xác cao hơn định vị diểm GPS. Phụ thuộc vào sự đo đạc nào được sử dụng trong định vị, đo lường pha-sóng mang hoặc đo lường tầm giả, chế độ định vị này sẽ có một độ chính xác từ dưới 1 cm đến vài met. Nguyên nhân ch ủ yểu là do những thông số đo đạc được của hai bộ thu có cùng dạng lỗi, chỉ là nhiều hơn hoặc ít hơn thôi.Khoảng cách giữa hai bộ thu càng ngắn thì tính tương đồng của hai bộ thu càng cao.Do đó, nếu ta lấy sai phân những thông số đo đạc được từ hai bộ thu thì những lỗi tương tự sẽ bị loại bỏ hoặc bị suy giảm. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 104
17. Hình 9.19: Nguyên tắc định vị tương đối GPS 9.7 ỨNG DỤNG CỦA GPS 9.7.1 GPS đối với quốc phòng an ninh GALILEO được xây dựng với mục đích là phục vụ cho dân sự. Còn hai hệ thống GPS và GLONASS thì ban đầu được xây dựng với mục đích là phục vụ cho quốc phòng của hai nước là Mỹ và Nga. Khả năng định vị được vị trí của mình cũng như phía đối phương là rất quan trọng trong quân sự. Ứng dụng của GPS và GLONASS đã được phát triển mạnh mẽ, với độ chính xác cao trong định vị máy bay chiến đấu, máy bay dân dụng, nhảy dù, tàu chiến cũng như định vị và điều khiển tên lửa và ngắm bắn mục tiêu. Ngoài ra, các thiết bị thăm dò, theo dõi và thiết bị tấn công có khả năng di chuyển không người lái cũng đều dựa trên khả năng định vị được đối phương. Xác định chính xác được vị trí của mục tiêu có thể mang lại lợi thế lớn khi đánh giá và tấn công mục tiêu. Với tiềm lực công nghệ quân sự hiện tại của Mỹ thì ở một nơi rất xa tên lữa có thể tấn công một mục tiêu được định vị trước với một độ chính xác tương đối cao. Tiêu biểu là trong chiến tranh Vùng Vịnh (1991), chiến tranh Irắc (2003), quân đội Mỹ đã liên tục sử dụng 16 vệ tinh trong 24 vệ tinh của hệ thống GPS để định vị và dẫn đường cho binh lính và vũ khí mang lại hiệu quả rõ rệt trên chiến trường. Phần lớn tên lửa và bom được sử dụng trong hai cuộc chiến kể trên đều được lắp đặt thêm bộ phận định vị và dẫn đường bằng hệ thống GPS, trong đó phải kể đến tên lửa hành trình Tomahawk và bom JDAM. Tên lửa hành trình Tomahawk là loại tên lủa thong minh được sử dụng nhiều nhất Tomahawk bay thấp dưới tầm quét của rada, có thể bắn trúng mục tiêu tầm xa 1000 dặm với độ chính xác rất cao. Ở cuộc chiến tranh Irắc năm 2003 thì người ta thấy các tên lữa hành trình của Mỹ có thể đi vào nhà bằng lối của sổ, hay là tấn công mục tiêu tòa nhà chính phủ Irắc các vị trí trọng yếu mà không gây thương vong lớn tới người dân. Đặc biệt là thương vong của quân đội Mỹ trong giai đoạn đầu được hạn chế tối đa khi mà họ đang ở ngoài khơi và phóng tên lửa không trực tiếp phải tham chiến những vẫn gây thiệt hại lớn cho Irắc. Bom JDAM hoạt động trong mọi thời tiết và được định vị nhờ hệ thống GPS bằng cách ghép thêm vào phần đuôi quả bom một bộ công cụ đuôi (tail kit) gồm: một bộ thăng bằng đuôi điều chỉnh được, một máy tính điều khiển, một hệ điều khiển quán tính và một máy thu tín hiệu GPS. Bom này có độ chính xác rất cao và thường là rơi vào các vị trí được định vị ban đầu. Trước khi thả bom, máy bay dùng máy thu tín hiệu GPS đặt trên máy bay để định vị máy bay và mục tiêu dưới mặt đất. Khi sắp thả bom, máy tính của máy bay cung cấp cho máy tính của bom tọa độ của máy bay và tọa độ của mục tiêu. Trong quá trình bom rơi, máy tính của bom xử lý tín hiệu thu được từ hệ thống GPS để cập nhật tọa độ và hệ điều khiển đặt tại phần đuôi của bom sẽ đưa bom đến mục tiêu với độc chính xác dưới 13m. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 105
18. Tuy nhiên, không phải lúc nào các thiết bị quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường GPS đều hoạt động tốt, có những lúc mà tên lửa và bom vẫn đi sai địa chỉ để rồi mang lại thương vong lớn cho người dân. 9.7.2 GPS đối với nền công nghiệp thực tiễn Bản đồ chính xác và được cập nhật là rất quan trọng với lợi ích công ty. Lợi ích của bản đồ giúp các công ty điện tử, dầu khí và thủy lợi để xây dựng. lên kế hoạch và duy trì tài sản của họ. Hệ thống GPS/GIS cung cấp giá trị hữu ích, hiệu quả và các công cụ chính xác để tạo ra bản đồ thực tế. Cùng với GPS, việc xác định vị trí của đường dẫn ga được xác định chính xác, cùng với các đặc điểm của chúng (như các điều kiện và việc sửa chữa khi cần). Các thông tin thu thập được được sử dụng bởi hệ thống GIS để cập nhật bản đồ. Trong trạng thái tiếp nhận GPS kém, như trong các ngóc ngách thành phố, nó có thể hữu ích khi sử dụng hệ thống tích hợp GPS và LRF. Hệ thống tích hợp này là công cụ hiệu quả để tạo ra bản đồ. Máy thu GPS duy trì tình trạng tiếp nhận tín hiệu tốt nhất trong khi LRF đo các thông tin thêm vào (độ rộng và góc phương vị). Phần mềm này có thể kết hợp thông tin của GPS và LRF. Những phần bị chôn như cáp điện hay các ống nước có thể được vẽ một cách hiệu quả nhờ sử dụng GPS. Với việc định vị cáp/ống, thông tin vị trí chính xác và độ sâu của các phần bị chôn được xác định. Đây là công cụ hiệu quả và giá thành hợp lý, mà không yêu cầu sự đánh dấu nào trên mặt đất. Hình 9.20 GPS với nền công nghiệp thực tiễn 9.7.3 GPS đối với khai thác mỏ Hình 9.21 GPS đối với việc khai thác mỏ Chu trình khai thác mỏ bao gồm nhiều phần, với sự khai thác quặng là quan trọng nhất. Việc khai thác quặng được thực hiện bởi việc khoan một mẫu đã được định trước, sau đó cho nổ Thông thường, việc xác định vị trí khoan là rất quan trọng. cách hiệu quả của hoạt động hướng dẫn việc khoan là việc tích hợp GPS với định vị vị trí khoan và hệ thống kiểm tra trên một mạch máy tính và phần mềm khoan lỗ. Một vài hệ thống sử dụng 2 máy thu GPS, được đạt trên cột anten, để định vị chính xác vị trí và định hướng chỗ khoan. Các phần thiết kế máy khoan được gửi tới bản mạch thông qua sóng vô tuyến, và được sử dụng bởi hệ thống tích hợp để hướng dẫn điều khiển khoan chính xác (hình 9.21). Nó được làm hoàn toàn tự động .Thêm vào đó, trên máy tính hiển thị các thông tin quan trọng khác như vị trí và độ sâu của các giếng khoan. Nó cho phép người điều khiển xem xét độ sâu mà mục tiêu cần đạt được. Hệ thống tích lũy Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 106
19. thông tin về độ cứng của đá và việc sản xuất mỏ, cái sẽ được gửi tới phòng điều hành trong thời gian ngắn nhất thông qua đường vô tuyến. Thông tin có thể được sử dụng không chỉ kiểm tra việc khoan từ phòng điều hành mà còn trong việc tìm hiểu các loại đá, có khả năng tốt cho kế hoạch tương lai. GPS cũng được sử dụng điều khiển chính xác tới cm cho việc ủi (hình 9.22). Máy ủi được sử dụng trong việc chở quặng, sau đó chuyển nó và dỡ nó khỏi kho. Cùng với hệ thống tích hợp GPS và hướng dẫn sử dụng và kiểm tra, người điều khiển có thể điều khiển đúng. Nó được tự động mà không cần điều khiển bởi các phương pháp quy ước. Tương tự như khoan, hoạt động này được gửi tới phòng điều hành trong thời gian gần nhất thông qua vô tuyến để kiểm tra và phân tích. Hình 9.22 GPS với khai thác địa chất Trong việc chuyển quặng, xe chuyên chở sử dụng thay đổi tuyến đường và các đoạn dốc. Trừ khi các tuyến đường hiệu quả, các vấn đề về lưu lượng và an toàn mới được xem xét tới, gây ra do việc tăng trong thời gian chuyển chở. Việc sử dụng GPS, thông tin vô tuyến và hệ thống máy tính trên xe giải quyết các vấn đề một cách hiệu quả. Cùng với sự gửi đi thông điệp từ hệ thống máy tính, xe kéo có thể được chỉ ra những tuyến tốt nhất. Thêm vào đó, trung tâm thông điệp còn tập hợp thông tin về trạng thái của từng xe như điều kiện giao thông. Việc phân tích tuyến giao thông là hết sức quan trọng trong việc thiết kế đương một cách tốt nhất. GPS cũng sử dụng trong các pha khác của quá trình khai thác mỏ, ví dụ như trong việc kiểm tra các điểm giao nhau của các điểm riêng lẻ và đo âm lượng. Cả GPS-RTK và GPS không tích hợp RTK đều được sử dụng trong các trường hợp trên (hình 9.22). 9.7.4 GPS đối với đo đạc địa chất Các vụ nổ ga và dầu yêu cầu bản vẽ của địa chất lớp dưới bề mặt thông qua việc đo trắc địa. Trong trắc địa, năng lượng âm tần số thấp được truyền xuống lớp đá dưới mặt đất (hình 9.23). Các nguồn năng lượng âm được chọn lựa làm vật tạo rung động. Bản kim loại được nén lại lần nữa xuống đất và các rung động để tạo ra năng lượng sóng âm. Trong các vùng nhám, dynamit luôn được sử dụng vào các nguồn năng lượng. Như năng lượng âm (tín hiệu) xuyên qua các lớp đá khác nhau, nó bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi vật lý của các loại đá. Một phần tín hiệu bị phản xạ trở lại. Năng lượng phản xạ được tách bởi thiết bị đặc biệt gọi là máy dò âm thanh dưới đất, được đặt ở khoảng cách từ nguồn năng lượng dọc đường nghiên cứu. Trong khoảng năng lượng tách sóng,tín hiệu thông tin do máy dò âm thanh dưới đất cung cấp tương ứng với năng lượng phản xạ. Tín hiệu điện được ghi lại trên băng từ để phân tích và làm sáng tỏ. Rõ ràng là nếu không có vị trí chính xác của các nguồn năng lượng và máy dò âm thanh dưới mặt đất, thì các dữ liệu về mặt đất trở nên vô dụng. GPS được sử dụng để cung cấp thông Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 107
20. tin định vị trong hệ thống. Tích hợp GPS/GLONASS và hệ thống đo khí áp số GPS được sử dụng thành công trong trạng thái tín hiệu thu được yếu. Hình 9.23 GPS đối với việc đo đạc địa chất Cùng với GPS, việc giảm ảnh hưởng của môi trường (như chặt cây) cũng như giá cả của đo trắc địa là rất quan trọng. 9.7.5 GPS đối với vẽ bản đồ đáy biển Để nghề hàng hải an toàn và hiệu quả, giữa các yếu tố khác, yêu cầu thông tin cần chính xác về độ sâu mực nước và đáy biển. Thêm vào đó, lợi ích của việc biết chính xác độ sâu mực nước là cần thiết cho sự sống còn để tạo ra sử dụng khẳ năng chở hàng hóa lớn nhất. Điều này thực sự quan trọng đối với các khu vực này cùng với độ nông sâu của mực nước. Cách thông thường để biết được độ sâu của mực nước được đo bằng việc sử dụng dòng tín hiệu từ dụng cụ đo độ sâu được đạt trên thuyền kiểm tra. Cùng với phương pháp này, dụng cụ đo độ sâu bằng dòng tín hiệu phát ra sóng âm (xung), được truyền tới đáy biển và sau đó phản xạ lại máy (hình 9.24). Độ sâu của nước được tính toán dựa trên thời gian đi và về của xung âm thanh và vận tốc của âm trong nước. Chú ý là dụng cụ đo độ sâu sử dụng thiết bị được gọi là máy biến năng để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng âm và ngược lại. Để vẽ bản đồ khu vực với dòng tín hiệu của dụng cụ đo này, các thuyền kiểm tra đi theo đường cũ trong khi máy phát âm thanh dọc đường. Khoảng cách giữa các đường được chọn để cung cấp nhứng thông số quan trọng nhất. Độ chính xác và đáng tin cậy của độ sâu và vị trí được kiểm tra lại bởi dây dò sâu và bởi các dây ngang qua. Phương pháp này có đặc điểm là đơn giản . Máy đo độ sâu này không có khả năng định hướng. Nhược điểm chính của phương pháp này là tốn nhiều thời gian và không cung cấp đầy đủ thông tin về đáy biển. Trong những năm gần đây, kỹ thuật mới để vẽ đáy biển được mở ra từ việc kết hợp máy phát tín hiệu âm thanh đa dòng, GPS và INS. Máy này tận dụng sóng âm thanh đa dòng truyền tại các góc khác nhau, cho phép thu thập thông tin về toàn bộ tuyến. Không giống như máy phát dòng đơn, kí thuật phát đa dòng cho phép biết đầy đủ thông tin về đáy biển với độ chính xác cao, cung cấp các tuyến đường được thiết kế theo quang học. Khoảng cách giữa các tuyến quang được xác định dựa trên độ sâu tương đối của nước, buóc sóng ánh sáng và độ nghiêng của đáy biển. Định vị GPS có thể được sử dụng để đảm bảo rằng các thuyền đi theo tuyến thiết kế. Vì độ rộng của góc cắt, máy phát đa dòng yêu cầu định vị chính xác và trạng thái của các thuyền. Điều này rất quan trọng đối với các tàu ở xa. Sự tích hợp GPS/INS được sử dụng để thực hiện mục đích này. Một vài hãng sản xuất được phát triển hệ thống tích hợp GPS/INS tranng bị 2 máy thu GPS và anten. Bên cạnh định vị chính xác và trạng thái của các thuyền, hệ thống này ước lượng hướng đi của các tàu một cách chính xác mà không quan tâm tới đọng lực học và vị trí của các tàu. Một kỹ thuật được chấp nhận rộng rãi trong thủy văn học là hệ thống đo dộ sâu của biển bằng máy bay (LBS). LBS hoạt động theo nguyên tắc giống như trên, đó là các cảm biến laser truyền dòng laser, rồi dòng này bị phản xạ trên bề mặt biển và dưới đáy biển. Khoảng cách được tính bằng đọ chênh thời gian giữa hai lần phản xạ. Bản đồ 3-D Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 108
21. Hình 9.24 GPS đối với việc vẽ bản đồ đáy biển Nhận được từ thông tin về độ sâu, vị trí và hướng của laser dựa trên GPS/quán tính. Ưu điểm chính của phương pháp này là hiệu quả cao và khả năng vẽ bản đồ ở các khu vực khó như các hành lang chật hẹp. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn ở các khu vực nước sâu (lớn nhất là 50m). Thêm vào đó, nó còn phụ thuộc vào độ trong của nước. 9.7.6 GPS đối với dẫn đường Khi di chuyển trong những khu vực lạ, người điều khiển phương tiện thường sử dụng bản đồ để xác định hướng đi. Tuy nhiên, bên cạnh đó có những khó khăn gặp phải, là việc tìm kiếm hướng đi khi sử dụng bản đồ giấy không an toàn, đặc biệt là trong khu vực đông người. Một kỹ thuật mới, kết hợp giữa GPS cùng bản đồ số và hệ thống máy tính, được phát triển để định tuyến đạt được bởi điện tử và các nút ấn (Hình 9.25). Vai trò của GPS trong kỹ thuật này là liên tục xác định vị trí của xe. Trong các khu vực bị che khuất, như hẻm núi hay ngầm, GPS được bổ xung hệ thống trên mặt đất như hệ thống DR để khắc phục việc mất tín hiệu GPS. DR là hệ thống sử dụng đồng hồ đo lường và dụng cụ đo gia tốc, la bàn và con quay của xe để xác định hướng đi của xe và khoảng cách giao thông. Hệ thống là chính xác chỉ khi xác định trong một khoảng thời gian đủ ngắn. Xác định vị trí xe cộ bởi GPS được thêm vào bản đồ điện tử số, duy trì dữ liệu cơ sở thông tin số như tên các phố, danh sách doanh nghiệp, sân bay, và các thông tin liên quan. Khi người lái xe nhập dữ liệu về đích, máy tính sẽ tìm ra tuyến đường tốt nhất để tới đích. Các yếu tố như quãng đường và thời gian ngắn nhất để tới đích, đường 1 chiều, sự quay xe trái luật và sự hạn chế trong giờ cao điểm, đều được xem xét trong quá trình tìm đường. Một vài hệ thống cho phép người lái xe đưa các yếu tố để tránh tai nạn. Người lái xe thường lấy tài liệu, cùng với sự chỉ dẫn bằng âm thanh hay nhìn, để tới đích.Nếu lái xe quên đường, hệ thống sẽ hiển thị thông tin cảnh báo và tìm tuyến đường tốt nhất dựa trên vị trí hiện tại. Một vài công ty thì đưa hệ thống di động để cung cấp thời tiểt và thông tin giao thông và vị trí của các xe trong trường hợp khẩn cấp. Lợi ích trong thông tin vô tuyến là có khả năng để các lái xe điều khiển truy cập Internet từ xe của mình. Hình 9.25 GPS với dẫn đường Dẫn đường GPS được ứng dụng rộng rãi, và tại Việt Nam thì các phương tiễn dẫn đường cho xe cộ bắt đầu trở nên thông dụng. Với ứng dụng tích hơp công nghệ GPS/GPRS. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 109
22. 9.7.7 Ứng dụng của GPS tại việt nam Tại Việt Nam, hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đã được nhắc đến nhiều trong thời gian gần đây. Vai trò quan trọng của công nghệ này tại Việt Nam đã và đang được hình thành theo xu hướng phát triển toàn cầu. Các chương trình cũng đã được giảng dạy tại một số trường đại học trong nước. Một loạt các ứng dụng của công nghệ định vị đã được thực hiện tại Việt Nam trong vòng vài năm trở lại đây. Ứng dụng đầu tiên phải kể đến là trong ngành đo đạc trắc địa bản đồ. Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS có chất lượng cao đã được dùng để xây dựng các mạng lưới các điểm chuẩn mốc trong trắc địa và xây dựng bản đồ. Công nghệ GPS với các máy thu chất lượng cao cũng đã được dùng để đánh giá các chấn động của mặt đất và của các cơ sở hạ tầng quan trọng như đập thủy điện Hòa Bình. Một số các trạm thu tín hiệu vệ tinh GPS mốc đã được lắp đặt ở một số nơi, nhằm cung cấp dịch vụ DGPS trên một vùng địa phương nhất định và tiến tới là trên phạm vi của cả nước. Biên giới của Việt Nam với các nước láng giềng, đặc biệt là Trung Quốc cũng thường xuyên được giám sát bằng công nghệ định vị nhờ vệ tinh có độ chính xác cao. Ngày nay tại Việt Nam, nhiều cá nhân và đơn vị đã rất quen thuộc với loại máy thu GPS cầm tay có độ chính xác thấp, trong khoảng từ 10 đến 30m, tùy thuộc điều kiện sử dụng. Các máy định vị này hỗ trợ đắc lực trong các chuyến đi thực địa trong ngành Viễn thám. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi để bước đầu xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GIS) với độ chính xác thấp cho các thành phố Hồ Chí Minh. Các loại hình dịch vụ LBS cũng được thường xuyên nhắc đến và kế hoạch triển khai xây dựng tại các công ty viễn thông hàng đầu của quốc gia, như dịch vụ định vị cho điện thoại di động và dịch vụ định vị cho xe taxi. Ứng dụng đầu tiên của GPS trong việc kiểm soát tốc độ của tàu tốc hành cũng đã được xây dựng thành công tại Việt Nam.Mặc dù hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu đang được phát triển một cách rộng rãi trên thế giới trong nhiều lĩnh vực, nó lại đang gặp phải một số khó khăn trong thị trường Việt Nam. Tất cả chúng ta đều biết, thông tin về vị trí của một đối tượng đơn thuần riêng lẻ không đem lại nhiều giá trị. Thông tin ấy sẽ chỉ có giá trị khi được đặt trong mối liên hệ với nhiều đối tượng khác, giới chuyên môn vẫn gọi là hệ thống thông tin địa lý (GIS), bao gồm nhiều tầng thông tin khác nhau về giao thông, sông ngòi, nhà ở, khu đô thị giải trí Ở Việt Nam, mặc dù đã có nhiều cố gắng, việc xây dựng cơ sở thông tin địa lý vẫn còn gặp nhiều khó khăn và chưa hình thành được một hệ thống hiệu quả. Công việc này chủ yếu được thực hiện thông qua số hóa các bản đồ mà độ chính xác còn bị hạn chế hoặc là do bản đồ đã cũ ( nhiều trường hợp xây dựng từ thời chiến tranh chống Mỹ), hoặc có độ chính xác thấp. Các dịch vụ LBS trong đô thị sẽ cần sự hỗ trợ của hệ thống GIS hoàn chỉnh, đầy ắp dữ liệu chính xác và có hệ thống để có thể đảm bảo cung cấp thông tin đáng tin cậy cho người sử dụng. Ngoài ra, một số các yếu tố khác như nguồn vốn, nhân lực chuyên môn cũng còn đang thiếu thốn khi muốn phát triển dịch vụ này tại Việt Nam. Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng kinh tế và phát triển của khoa học kỹ thuật như ngày nay, trong tương lai không xa, các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu sẽ tìm được một thị trường hấp dẫn tại Việt Nam. Ở việt nam cũng xuất hiện nhiều những điện thoại gắn thiết bị thu GPS, và những ôtô đời mới cũng có gắn thiết bị thu GPS với sự kết hợp của GPRS thì ngày càng dễ sử dụng GPS. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 110
23. 9.8 MỘT SỐ LOẠI MÁY THU GPS ĐANG ĐƯỢC SỬ DỤNG Máy thu GPS có rất nhiều loại với những độ chính xác khác nhau từ 1 trăm cho tới hàng chục ngàn USD. Dưới đây là hình ảnh về một số loại máy thu GPS: Hình 2.26 Một số loại máy thu GPS Ngày nay với ứng dụng của tích hợp IC nên máy thu GPS nhỏ, và rất tiện sử dụng lại có giá thành rẻ hơn ngày trước rất nhiều. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 111