Ảnh hưởng của phương pháp tính trọng số tới kết quả bình sai GPS

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, các ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào công

tác trắc địa đã được đưa vào Việt Nam từ những năm 1991. Từ đó cho đến nay, việc

ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn. Các lĩnh vực ứng

dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng mạng

lưới tọa độ nhà nước độ chính xác cao đến xây dựng các mạng lưới tọa độ độ chính

xác thấp vv…. cùng với các ứng dụng khác nhau trong cuộc sống như: dẫn đường

các phương tiện giao thông, vui chơi giải trí v.v….Các phần mềm xử lý số liệu đo

GPS cũng được phát triển đa dạng. Chỉ riêng hãng TRIMBLE là hãng chế tạo máy

Sinh viên: Vũ Đình Lê 1 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

thu GPS lớn nhất của Mỹ, trong thời gian qua đã không ngừng đưa ra thị trường các

phần mềm khác nhau như: TRIMVEC, GPSURVEY 2.35, TRIMBLE TOTAL

CONTROL (TTC), TRIMBLE BUSINESS CENTER (TBC) vv…Phần mềm

GPSURVEY 2.35 là phần mềm khá quen thuộc với nhiều người làm công tác xử lý

số liệu GPS trong thực tế sản xuất ở Việt Nam. Tuy vậy, từ ngày 14 tháng 9 năm

2011, phần mềm này đã hết hạn sử dụng và phải chuyển sang sử dụng phần mềm

TTC hoặc TBC.

Trong thời gian học tập tại Khoa trắc địa, Trường Đại học Mỏ- Địa chất,

chúng em đã được học môn Định vị vệ tinh. Môn học này đã cung cấp những kiến

thức cần thiết để người học biết về công nghệ GPS nói riêng và các hệ thống định

vị vệ tinh dẫn đường GNSS nói chung. Để nâng cao kiến thức lý thuyết, kỹ năng

thực hành xử lý tính toán các mạng lưới GPS và được sự phân công của Bộ môn

Trắc địa cao cấp, Khoa Trắc địa, em đã nhận và thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài

“ Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp tính trọng số trị đo đến kết quả bình

sai lưới GPS ’’.

Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Đặng Nam Chinh và

sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu thực tế em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp mà nhà

trường giao cho. Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng đồ án cũng

không tránh khỏi những sai sót.

Kính mong hội đồng xét duyệt đồ án xem xét và đóng góp ý kiến để em hoàn

thành đồ án khi bảo vệ đồ án và hoàn thiện hơn những kiến thức tìm hiểu về đồ án.

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Người thực hiện đồ án

Vũ Đình Lê

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH

Sau khi Liên Xô phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (Sputnik-1) vào

tháng 10 năm 1957, con người đã có ý tưởng sử dụng vệ tinh nhân tạo vào nhiệm vụ

định vị dẫn đường các phương tiện trên mặt đất. Hai quốc gia đi đầu trong lĩnh vực

này là Liên Xô (nay là Nga) và Mỹ. Có thể điểm qua một số giai đoạn phát triển của

Sinh viên: Vũ Đình Lê 2 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

lĩnh vực định vị vệ tinh mà hai quốc gia này đã đạt được trong thời gian từ năm

1957 đến nay.

Bảng 1- Niên biểu lịch sử phát triển của định vị vê tinh

Năm Sự kiện

1957

Vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik – 1 của Nga được phóng lên vũ

trụ.

1958

- Xác định độ dẹt cực trái đất bằng số liệu vệ tinh (f = 1/298.3).

- Phóng vệ tinh nhân tạo Explorer – 1

1959

- Hàm điều hòa đới bậc 3 (Xác định trái đất có hình dạng quả

lê).

- Lý thuyết chuyển động của vệ tinh nhân tạo.

- Vệ tinh Transit đầu tiên được phóng lên vũ trụ với khởi đầu

được chế tạo để hỗ trợ cho đội tàu ngầm của Mỹ sau đó được

phát triển trở thành hệ thống định vị toàn cầu.

1960

- Phóng vệ tinh nhân tạo Transit – 1B

- Phóng vệ tinh nhân tạo Echo – 1

- Lý thuyết quỹ đạo vệ tinh (Kaula).

1962 Phóng vệ tinh nhân tạo Anna – 1B

1963

- Thực hiện nghiên cứu về hệ thống không gian làm cơ sở cho

hệ thống dẫn đường cho phương tiện chuyển động nhanh theo

3 chiều không gian. Việc nghiên cứu này trực tiếp đẫn tới

khái niệm “Hệ thống định vị toàn cầu’’.

- Nghiên cứu hệ thống

1964 Phát triển hệ thống vệ tinh Timation.

1967 Vệ tinh Timation đầu tiên được phóng lên vũ trụ vào tháng 5.

1968

- Bộ quốc phòng Mỹ thành lập Ủy ban thực hiện vệ tinh dẫn đường

(NAVSEC) để phối hợp các nhóm vệ tinh dẫn đường (Transit của

hải quân, Chương trình Timation và SECOR của quân đội).

- Nghiên cứu và làm sáng tỏ “khái niệm dẫn đường vệ tinh cơ bản’’

bao gồm các vấn đề như lựa chọn tần số sóng mang ( dải L đối lập

với dải C), thiết kế cấu trúc tín hiệu và lựa chọn định hình quỹ đạo

vệ tinh.

17/12/1973

Thực hiện hệ thống NAVSTAR GPS. Cấu hình hệ thống được thông

qua bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trong những quỹ đạo nghiêng

chu kỳ 12 giờ đồng hồ.

14/7/1974 Vệ tinh NAVSTAR đầu tiên được phóng lên vũ trụ

Sinh viên: Vũ Đình Lê 3 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

1977

- Vệ tinh NAVSTAR thứ 2 được phóng và mang theo đồng hồ

nguyên tử đầu tiên.

- Thực hiện kiểm tra trên thiết bị người sử dụng ở Yuma,

Arizona.

1978

Vệ tinh Block I đầu tiên được phóng vào vũ trụ. Toàn bộ 11 vệ tinh

Block I được phóng trong khoảng thời gian từ 1978 – 1985.

1980

Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng hệ thống

phát tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp.

1982 Liên Xô phóng vệ tinh GLONASS đầu tiên lên quỹ đạo.

1983

Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm các vụ nổ hạt

nhân (NDS)

1985 GPS được sử dụng cho máy bay, tàu thủy và máy xách tay gọn nhẹ.

1987

Các nhà khảo sát bắt đầu sử dụng kỹ thuật nâng cao độ chính xác

bao gồm kỹ thuật GPS Vi phân (DGPS) có sử dụng trị đo pha sóng

mang.

14/2/1989

Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II được phóng vào vũ trụ từ

Cape Canaveral AFT, Florida trên dàn phóng Delta II.

25/3/1990

Mỹ kích hoạt nhiễu cố ý SA (Selective Availability) làm suy giảm

độ chính xác dẫn đường GPS có chủ đích.

8/12/1993

Mỹ đã hoàn thành phóng lên quỹ đạo đủ 24 vệ tinh GPS theo thiết

kế

5/2000 Mỹ bỏ nhiễu cố ý SA

12/2011 Nga đã phóng đủ 24 vệ tinh GLONASS lên quỹ đạo

1.2. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

Hệ thống định vị toàn cầu, viết tắt là GPS (Global Positioning System) là hệ

thống định vị dẫn đường toàn cầu sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái đất (Global

Navigation Satellite System (GNSS), được phát triển bởi bộ quốc phòng Hoa Kỳ.

Hệ thống GPS được bắt đầu triển khai từ năm 1978 và hoàn thành vào năm 1993.

GPS sử dụng 24 đến 32 vệ tinh bay ở quỹ đạo trung bình (Medium Earth

Orbit) quanh trái đất, phát tín hiệu sóng điện từ tới các thiết bị thu GPS nhằm xác

định chính xác vị trí máy thu GPS, thời gian và vận tốc của chúng. Hệ thống GPS

bao gồm các bộ phận ( hợp phần ) như sau:

1.2.1. Phần điều khiển (Control Sement).

Sinh viên: Vũ Đình Lê 4 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

Phần điều khiển của GPS gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi

(Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein, Hawaii. Một trạm điều

khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload

Station).(hình 1.1)

Hình 1.1. Vị trí các trạm trong phần điều khiển của GPS

Mục đích của phần điều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác

định quỹ đạo của chúng, xử trí các đồng hồ nguyên tử, truyền các thông tin cần phổ

biến ( thông tin đạo hàng) lên các vệ tinh, cập nhật 3 lần/ ngày.

Lưới trắc địa kết nối các trạm này được xác định bằng phương pháp giao

thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ các

vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau khi tính toán các số

liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới

các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu

chỉnh để phát tới các máy thu tín hiệu từ vệ tinh.

1.2.2. Phần không gian (Space Sement).

Phần không gian gồm 32 vệ tinh (theo thiết kế là 24 vệ tinh) phân bố trên 6

quỹ đạo gần tròn, trên mỗi quỹ đạo có 5 đến 6 vệ tinh mặt phẳng nghiêng với mặt

phẳng xích đạo một góc 55º. Bán kính quỹ đạo xấp xỉ 26560km, tức các vệ tinh có

cao độ so với mặt đất cỡ 20200km.

Chu kỳ chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo là 718 phút (~12 giờ). Số

lượng vệ tinh có thể quan sát được tủy thuộc vào thời gian và vị trí quan trắc trên

trái đất, nhưng có thể nói rằng ở bất kỳ thời gian và vị trí nào trên trái đất cũng có

thể quan trắc được tối thiểu 4 vệ tinh tối đa 11 vệ tinh.

Sinh viên: Vũ Đình Lê 5 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2. Phần không gian của GPS

Trên mỗi vệ tinh trang bị 4 đồng hồ nguyên tử cesium (là loại đồng hồ cực

kỳ chính xác 10-12).

Đồng hồ sản sinh ra dao động cơ sở có tần số fo = 10.23 MHz

Có 2 mã đo:

– Mã C /A có tần số 1,023 MHz = fo/10 và có chiều dài 1 msec

– Mã P có tần số 10,23 MHz = fo và có chiều dài 266, 4 ngày 2 mã đo

được điều biến bởi 2 sóng mang L1 = 1575.42 MHz (mã P và C/A)

và L2 = 1227.60 MHz (chỉ có mã P)

Cả 2 sóng mang L1, L2 điều biến bằng các thông tin đạo hàng bao gồm:

Ephemeride của vệ tinh thời gian, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, tình trạng của

hệ thống vệ tinh vv…

Mỗi vệ tinh có trọng lượng 930 Kg và có tuổi thọ từ 7.5 đến 10 năm. Nếu vệ

tinh nào hỏng đều được thay thế ngay để bảo đảm tính chặt chẽ cấu trúc của hệ

thống . Tuy vậy, theo chương trình (kế hoạch) người ta vẫn phóng lên các quỹ đạo

các vệ tinh mới trong khi các vệ tinh cũ vãn còn sử dụng, chính vì thế số vệ tinh

GPS thực tế nhiều hơn số vệ tinh thiết kế.

Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS:

- Nhận và lưu giữ lịch vệ tinh mới được gởi lên từ trạm điều khiển

-Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bằng các bộ vi xử lý đặt trên

vệ tinh.

- Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng hai đồng hồ nguyên tử

Cesium và 2 đồng hồ hồng ngọc Rubidium.

- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của trạm mặt đất.

Sinh viên: Vũ Đình Lê 6 Lớp: Trắc Địa B – K5

Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

- Truyền thông tin và tín hiệu trên 2 tần số L1 và L2 rất ổn định và nhất

quán. Từ năm 2008, các vệ tinh GPS khối II-F đã phát thêm tín hiệu L5 ngoài các

tín hiệu L1, L2.

1.2.3. Phần sử dụng (User Segment).

Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự

Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay

và tàu thủy ...

Phân loại máy thu: có 4 nhóm máy thu GPS như sau:

– Nhóm 1: Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C /A trên tần số L1.

– Nhóm 2: Máy thu xử lý mã C /A và phase sóng mang L1 thường gọi

tắt là máy thu 1 tần số.

– Nhóm 3: Máy thu xử lý mã C /A và phase sóng mang L1, L2 thường

gọi tắt là máy thu 2 tần số.

– Nhóm 4: Máy thu xử lý mã Y và 2 phase sóng mang L1, L2 chỉ có

quân đội Mỹ và đồng minh mới có.

Toàn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS – 84 với kích

thước bán trục lớn ellipsoid. a = 6378137.0, độ dẹt f = 1: 298,25722

Phần sử dụng GPS gồm 3 phần chính:

– Phần cứng

– Phần mềm

– Phần triển khai công nghệ

Phần cứng: Bao gồm máy thu mạch điện tử, các bộ dao động tần số vô tuyến

RF (Radio Friquency), các ăng ten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động

máy thu.

Phần mềm: Bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,

chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường

hữu ích.

Phần triển khai công nghệ hướng tới lĩnh vực liên quan đến GPS như: Cải

tiến thiết kế máy thu, xây dựng hệ thống tăng cường như triển khai định vị GPS vi

phân, phân tích và mô hình hóa hiệu ứng của các ăng ten khác nhau, hiệu ứng

truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong các phần mềm xử lý số liệu....

1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TẠO RA TRỊ ĐO CỦA HỆ THỐNG GPS.

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ

tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản cho việc đo đạc và được

chia thành 2 nhóm:

– Nhóm trị code: C/A- code, p- code.

– Nhóm trị đo pha L1, L2 và tổ hợp L1/L2

Sinh viên: Vũ Đình Lê 7 Lớp: Trắc Địa B – K5