CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Mục lục
Như chúng ta đã biết, hiện nay, công nghệ định vị toàn cầu GPS (Global
Positioning System) là công nghệ đang được ứng dụng rộng rãi trên thế
giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Công nghệ GPS bắt đầu được
giới thiệu và ứng dụng vào Việt Nam từ giữa những năm 1990 nhưng
chủ yếu để phục vụ cho việc thu thập số liệu tọa độ chính xác của các
điểm trắc địa gốc để làm cơ sở phát triển các lưới trắc địa cấp thấp hơn.
Trong những năm gần đây, với việc xuất hiện các thiết bị đo GPS cầm
tay đơn giản và giá rẻ, việc ứng dụng công nghệ GPS vào công tác thu
thập thông tin vị trí càng trở nên phổ biến. Theo các nhà dự báo, trong
thời gian tới, các thiết bị GPS sẽ ngày càng nhỏ gọn, chính xác tạo điều
khiện cho sự bùng nổ trong việc ứng dụng công nghệ.
I. Nội dung.
1
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
1. Giới thiệu về hệ thống GPS
1.1 Hệ thống 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:

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.
Hiện nay (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
4
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
- Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°
Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km.
Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số
L1 1575.42MHz và L2 1227.60MHz. Các tín hiệu vệ tinh bao
gồm:
- Hai tần số sóng mang
- Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang
- Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ
tinh.
b. 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.

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
1.3 Độ chính xác của hệ thống 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 khóa vào các quả vệ tinh khi
mới bật lên và chúng duy trì kết nối bền vững, thậm chí trong tán
lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng. Trạng thái
của khí quyển và các nguồn gây sai số khác có thể ảnh hưởng tới
độ chính xác của máy thu GPS. 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 tăng độ chính xác
trung bình tới dưới 3 mét. Không cần thêm thiết bị hay mất phí để
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. Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người
dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten để dùng với
máy thu GPS của họ.
2. Các nguồn lỗi gây sai lệch vị trí và cách khắc phục trong GPS
7
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
• Các nguyên nhân chính gây ra sai số trong kĩ thuật dịnh
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

Vị trí vệ tinh là hàm của thời gian, vị trí này chứa trong bản tin
dẫn đường quảng bá của vệ tinh, được dự đoán từ các quan sát GPS
trước đó tại các trạm điều khiển mặt đất. Việc mô hình hóa các lực tác
động vào vệ tinh thường sẽ không chính xác hoàn toàn, điều này gây
nên các lỗi dự đoán vị trí của vệ tinh, gọi là lỗi lịch thiên văn. Bình
thường, lỗi lịch thiên văn thường nằm trong khoảng từ 2m đến 5m, và
có thể lên đến 50m khi sử dụng khả năng chọn lọc. Lỗi khoảng cách
do sự kết hợp của lỗi lịch thiên văn và lỗi đồng hồ vệ tinh nằm ở mức
2.3m. Một lỗi lịch thiên văn cho một vệ tinh cụ thể nào đó được nhận
biết bởi tất cả người dùng trên thế giới. Tuy nhiên, những người dùng
khác nhau quan sát cùng một vệ tinh ở những góc khác nhau, do đó
khoảng và vị trí đo được chịu những ảnh hưởng khác nhau của lỗi lịch
thiên văn. Điều này có nghĩa là việc kết hợp đo đạc của hai máy thu
đồng thời cùng bám một vệ tinh không thể loại bỏ hoàn toàn lỗi lịch
thiên văn.
Hình 5: Lịch thiên văn.
10
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
Cách khắc phục: Nhưng với những người sử dụng gần nhau có
thể nhận biết được hầu hết lỗi khoảng cách do lỗi lịch thiên văn bằng
cách lấy sai khác của các kết quả quan sát này. Trong định vị tương
đối, người ta sử dụng quy tắc ngón tay cái để đánh giá thô ảnh hưởng
của lỗi lịch thiên văn đối với độ phân giải đường ranh giới: lỗi đường
ranh giới/độ dài đường ranh giới = lỗi vị trí vệ tinh / phạm vi vệ tinh.
Điều này có nghĩa là nếu lỗi vị trí vệ tinh là 5m và chiều dài đường
ranh giới là 10 km, thì lỗi đường ranh giới do lỗi lịch thiên văn xấp xỉ
khoảng 2.5mm.
2.2 Lỗi đồng hồ vệ tinh và máy thu
Mỗi vệ tinh Block II và Block IIA mang bốn đồng hồ nguyên tử,
hai đồng hồ xezi và hai đồng hồ rubi. Thế hệ vệ tinh Block IIR mới

số này như một tham số chưa biết thêm vào trong quá trình dự đoán.
12
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
2.3 Lỗi đa đường
Phân tập đa đường là một nguồn lỗi nghiêm trọng cho cả đo đạc
pha sóng mang và khoảng cách giả. Lỗi đa đường xuất hiện khi tín
hiệu GPS đến anten máy thu theo nhiều đường khác nhau Những
đường này có thể là đường tín hiệu nhìn thẳng và tín hiệu phản xạ từ
các vật thể xung quanh anten máy thu. Phân tập đa đường làm méo tín
hiệu gốc qua sự giao thoa của tín hiệu phản xạ ở anten GPS. Nó ảnh
hưởng đến cả đo đạc pha sóng mang và khoảng cách giả; tuy nhiên,
ảnh hưởng đối với đo khoảng cách giả lớn hơn nhiều. Độ lớn của
phân tập đa đường pha sóng mang có thể đạt tới giá trị lớn nhất là 1/4
chu kỳ (khoảng 4.8 cm đối với pha sóng mang L1). Khoảng cách giả
đa đường theo lý thuyết có thể lên đến vài chục mét đối với đo mã
C/A.
Hình 7: Lỗi đa đường ở GPS
Cách khắc phục: Tuy nhiên, với những tiến bộ mới trong công nghệ
máy thu, khoảng cách giả đa đường thực tế giảm đi rất nhiều. Ví dụ
về những công nghệ này là bộ tương quan Strobe (Ashtech, Inc.) và
13
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
MEDLL (NovAtel, Inc.). Với những công nghệ làm giảm phân tập đa
đường này, lỗi phân tập đa đường của khoảng cách giả có thể giảm
xuống đến vài mét, thậm chí trong cả môi trường phản xạ mạnh.
Trong cùng một môi trường, có thể đánh giá lỗi đa đường bằng
cách sử dụng tương quan qua các ngày của phần dư dự đoán. Đây là
do cấu trúc hình học vệ tinh – vật phản xạ - anten lặp lại hằng ngày.
Tuy nhiên, lỗi đa đường trong các phép đo khoảng cách giả như
nhau có thể xác định được nếu sử dụng quan sát hai tần số. Người ta

dụng thực tế.
Hình 8: Lỗi tâm pha ante
Cách khắc phục: Cần chỉ ra rằng lỗi tâm pha có thể khác nhau đối
với các sóng mang L1 và L2. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác
của việc kết hợp tuyến tính tự do tầng điện ly, đặc biệt khi quan sát
đường ranh giới ngắn. Đối với những đường ranh giới ngắn, sai số
tương quan lớn theo khoảng cách và đủ loại bỏ những sai khác. Vì
vậy, sử dụng đơn tần có thể thích hợp hơn đối với những đường ranh
giới trong kiểu tĩnh.
2.5 Nhiễu đo lường máy thu
Nhiễu đo lường máy thu do giới hạn của các linh kiện điện tử trong
máy thu gây ra. Một hệ thống GPS tốt cần có một mức nhiễu nhỏ.
Thông thường, một máy thu GPS sẽ tự kiểm tra khi người sử dụng bật
máy. Tuy nhiên, đối với những hệ thống GPS chính xác giá thành
cao, việc đánh giá hệ thống có thể rất quan trọng cho người sử dụng.
Có hai loại kiểm tra được thực hiện để đánh giá máy thu GPS (hệ
thống GPS): kiểm tra đường ranh giới 0 và kiểm tra đường ranh giới
15
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
ngắn .Kiểm tra đường ranh giới 0 được sử dụng để đánh giá hoạt
động của máy thu. Kiểm tra này liên quan đến việc sử dụng một
anten/ bộ tiền khuếch đại nối với một bộ chia để cung cấp tín hiệu cho
hai hay nhiều máy thu GPS. Nhiều vấn đề của máy thu như sai lệch
liên kênh và trượt chu kỳ có thể phát hiện qua cách kiểm tra này. Khi
sử dụng một anten, độ phân giải đường ranh giới bằng 0. Nói cách
khác, các giá trị khác 0 được gán cho nhiễu máy thu. Mặc dù kiểm tra
đường ranh giới 0 cung cấp các thong tin hữu ích cho máy thu, nhưng
nó không cung cấp thông tin về nhiễu anten/bộ tiền khuếch đại. Ảnh
hưởng của nhiễu máy thu đến sai số khoảng cách phụ thuộc vào chất
lượng của máy thu GPS. Giá trị trung bình của sai số khoảng cách gây

mất vào buổi tối và tồn tại lâu hơn vào mùa hè so
với mùa đông .
Tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó làm cong tín hiệu vô
tuyến GPS và thay đổi vận tốc của tín hiệu khi nó truyền qua các tầng
điện ly khác nhau để đến máy thu GPS. Uốn cong đường đi của tín
hiệu GPS gây ra sai số có thể bỏ qua, đặc biệt nếu
góc ngẩng của vệ tinh lớn hơn 50. Sự thay đổi vận tốc truyền tín hiệu
gây nên các sai số nghiêm trọng, và vì vậy cần phải được tính toán
đầy đủ. Tầng điện ly làm tốc độ của pha sóng mang vượt quá tốc độ
của ánh sáng, trong khi đó nó làm chậm mã PRN (và
bản tin dẫn đường) một lượng tương tự. Do đó, khoảng cách từ máy
thu đến vệ tinh sẽ quá ngắn so với khoảng cách thực nếu đo bằng pha
sóng mang và quá dài nếu đo bằng mã. Trễ tầng điện ly tỷ lệ với số
điện tử tự do trên đường truyền GPS, số điện tử này
gọi là lượng electron tổng (TEC). TEC phụ thuộc vào một số yếu tố:
(1) thời gian trong ngày (mật độ electron đạt cực đại vào đầu buổi
chiều và nhỏ nhất vào nửa đêm giờ địa phương); (2) thời gian trong
năm ( mật độ electron vào mùa hè cao hơn vào mùa đông); (3) chu
kỳ 11 năm của mặt trời (mật độ electron đạt cực đại sau khoảng 11
17
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
năm,cực đại này chính là cực đại nóng sáng của mặt trời gọi là cực
đại chu kỳ mặt trời – năm 2001 là cực đại của chu kỳ mặt trời thứ 23);
và (4) là vị trí địa lý (mật độ electron
nhỏ nhất ở vùng vĩ độ trung bình và không đồng đều ở các vùng cực,
và vùng xích đạo). Vì tầng điện ly là một môi trường phân tán, nó gây
ra trễ phụ thuộc vào tần số. Tần số càng thấp thì trễ càng lớn: trễ tầng
điện ly của L2 lớn hơn L1. Thông thường,
trễ tầng điện ly khoảng từ 5m đến 15m, nhưng có thể vượt quá 150m
vào những lúc hoạt động mạnh của mặt trời, giữa trưa, và gần đường

thông tin.
2.7 Trễ tầng đối lưu
Tầng đối lưu là vùng không khí trung hòa về điện tính từ bề mặt trái
đất lên đến độ cao 50 km. Tầng đối lưu là môi trường không phân tán
đối với các tần số vô tuyến dưới 15 GHz. Tầng đối lưu gây trễ như
nhau đối với các sóng mang GPS và các mã.
Khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu đo được sẽ lớn hơn khoảng cách
hình học thực tế, điều đó có nghĩa là khoảng cách đo được giữa hai
máy thu sẽ lớn hơn khoảng cách thực tế. Không giống như trễ tầng
điện ly, trễ tầng đối lưu không thể loại bỏ bằng cách kết hợp quan sát
L1 và L2. Điều này chủ yếu là do trễ tầng đối lưu không phụ thuộc
vào tần số. Trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, và độ
19
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
ẩm trên đường truyền trong tầng đối lưu. Tín hiệu từ các vệ tinh có
góc ngẩng nhỏ đi qua quãng đường dài
hơn trong tầng đối lưu so với các vệ tinh có góc ngẩng lớn hơn. Vì
vậy, trễ tầng đối lưu nhỏ nhất khi vệ tinh ở trên đỉnh đầu người sử
dụng và lớn nhất khi vệ tinh ở đường chân trời. Trễ tầng đối lưu gây
ra sai số khoảng 2.3 m ở đỉnh đầu, khoảng 9.3 m ở góc
ngẩng 15°, và khoảng 20 – 28 m ở góc ngẩng 5°.
Cách khắc phục: Trễ tầng điện ly có thể chia thành hai phần, khô
và ướt. Thành phần khô xuất chiếm 90% của trễ và có thể phát hiện
được với độ chính xác cao sử dụng các mô hình toán học. Thành phần
ướt của trễ tầng điện ly phụ thuộc vào lượng hơi nước trên đường
truyền tín hiệu GPS. Không giống như thành phần khô, thành phần
ướt không dễ dự đoán. Nhiều mô hình toán học sử dụng các phép đo
khí tượng bề mặt (áp suất khí quyển, nhiệt độ, áp suất hơi nước) để
tính toán thành phần ẩm. Tuy nhiên, thành phần ẩm ít tương quan với
các dữ liệu khí tượng bề mặt, làm giới hạn độ chính xác dự đoán.

Kết luận.
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và tìm hiểu cả về lý thuyết
và thực hành em
đã thu được một số thành quả sau khóa luận của mình
- Nắm được lý thuyết cơ bản về hệ thống GPS, đó chính
là những đặc điểm về công nghệ GPS.
- Nắm được những khái niệm và giao thức cơ bản cơ
bản trong truyền thông GPS
- Nắm được lý thuyết cơ bản về hệ thống GIS và cách
số hóa một bản đồ số.
Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế, đồ án của em vẫn
còn nhiều thiếu sót và khuyết điểm, các ứng dụng hẹp, chí mang
tính chất nghiên cứu. Những thiếu sót có thể kể ra như:
- Chưa thành thạo trong lập trình C# nên thiết kế giao
diện hiển thị trên máy tính còn đơn giản.
- Cách trình bày chưa logic.
- Phạm vi nghiên cứu còn hẹp.
- Chưa nêu rõ được các lỗi nhỏ và cách khắc phục còn
phụ thuộc nhiều vào Internet.

22
CÁC GIẢI PHÁP ĐIỀU CHỈNH SAI SỐ TRONG GPS
23