Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin
BÁO CÁO ĐỀ TÀI
CÔNG NGHỆ VỆ TINH
ĐỀ TÀI
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
GPS & ỨNG DỤNG
GVHD:
ThS. Trần Bá Nhiệm
Nhóm SV thực hiện: Lê Văn Thương
Nguyễn Thành Vinh
Đặng Tiểu Bình
08520599
08520618
08520032
TP. HCM, tháng 4 – 2014
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Trích yếu
Mục tiêu và đối tượng tìm hiểu của báo cáo
Báo cáo tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứng
dụng thực tiễn của nó. Trong đó, việc tìm hiểu các ứng dụng thực tiễn ở thế giới và cũng
như ở Việt Nam được quan tâm xem xét. Cụ thể, báo cáo sẽ đi tổng quan về cơ sở lý
thuyết của hệ thống định vị toàn cầu GPS, các nguyên lý và phương pháp định vị tọa độ
của một điểm trên trái đất, các thông tin về sai số và khảo sát độ chính xác của hệ thống
GPS. Từ đó báo cáo sẽ tìm hiểu về các ứng dụng của hệ thống GPS và khả năng áp dụng
chúng vào thực tế.
Phương pháp nghiên cứu và tìm kiếm thông tin
Trong báo cáo, chúng em sử dụng các kiến thức đã được học ở môn “Công nghệ vệ tinh”
và môn “Công nghệ mạng viễn thông” được dạy ở trường Đại học Công nghệ Thông tin.
Các kiến thức được sử dụng bao gồm các bài nghiên cứu về vệ tinh và viễn thông. Chúng
1.4.2. Định vị tương đối 13
1.4.3.Định vị sai phân 13
1.5.Sai số trong định vị GPS 13
1.5.1.Sai số đồng hồ 14
1.5.2.Sai số quỹ đạo vệ tinh 15
1.5.3.Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 15
Trang ii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
1.5.4.Sai số do nhiễu tín hiệu 16
1.6.So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS 17
Ứng dụng thực tiễn 19
1.7.Xử lý thời gian thực và xử lý sau 19
1.8.Độ chính xác và thiết bị 21
1.9.Phạm vi ứng dụng 22
1.10.Ứng dụng GPS vào thực tiễn 24
1.10.1.Các ứng dụng trên phương tiện đường bộ 24
1.10.2.Các ứng dụng trên tàu thuyền 25
1.10.3.Các ứng dụng trên máy bay 27
1.10.4.Ứng dụng GPS trong lĩnh vực giáo dục 32
1.10.5.Ứng dụng GPS trong thu thập GIS di động 33
1.10.6.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất 34
1.10.7.Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất 35
1.10.8.Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không 39
1.10.9. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực quân sự 40
Kết luận 42
Tài liệu tham khảo 43
Trang iii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Lời cảm ơn
Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo ThS. Trần Bá Nhiệm đã
Trang v
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1. Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS 17
Bảng 3.1. Độ chính xác của các phương pháp đo 21
Bảng 3.2. Yêu cầu độ chính xác của các ứng dụng 26
Bảng 3.3. Yêu cầu độ chính xác trong ứng dụng hành không 28
Danh mục từ viết tắt
Trang vi
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Từ viết tắt Tường minh Giải thích
C
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã
G
GPS Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
do bộ quốc phòng Hoa Kỳ
thành lập
GALILEO
Hệ thống định vị toàn cầu
của liên minh khối EU
GLONASS
Hệ thống định vị toàn cầu
của Liên Bang Nga
GNSS Global Navigation Satellite System
Là tên dùng chung cho các
hệ thống định vị toàn cầu
sử dụng vệ tinh như GPS
(Hoa Kỳ), Hệ thống định vị
Galileo (Liên minh châu
Kepler III:
Bình phương chu kỳ
chuyển động của một hành
tinh thì tỷ lệ với lập phương
bán trục lớn của quỹ đạo
elip của hành tinh đó.
( T
2
/a
3
= const )
Trang viii
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Lời nói đầu
Ngày nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu
ngày càng cao của con người. Trong đó, công nghệ định vị vị trí vật thể ở ngoài trời ở
bất cứ vị trí nào trên trái đất được quan tâm phát triển. Hiện nay, có rất nhiều tổ
chức, quốc gia phát triển hệ thống định vị toàn cầu. Trong số các hệ thống định vị toàn
cầu đó thì hệ thống định vị GPS là được sử dụng phổ biến hơn cả. Hệ thống GPS được
sử dụng cả trong lĩnh vực quân sự (dành riêng cho quân đội Mỹ) hay dân sự (toàn thế
giới, được chính phủ Mỹ cho phép từ những năm 1980 mà không tính phí). Chính nhờ
điều này, GPS đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để phục vụ con người: quản lý và
điều hành xe, chỉ đường, khảo sát trắc địa, môi trường, bản đồ hàng không. Ở Việt Nam
do nhiều nguyên nhân và điều kiện khác nhau GPS vẫn chưa được sử dụng một cách
rộng rãi cũng như chưa tận dụng được hết khả năng của GPS, đặc biệt đối với người
dùng đầu cuối.
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng em xin mạn phép nghiên cứu về hệ thống định
vị GPS và các ứng dụng thực tiễn của nó. Mục tiêu của nghiên cứu không nhằm đi sâu
về cơ sở lý thuyết cũng như cách vận hành của hệ thống định vị mà chỉ đưa ra các nhìn
tổng quan về hệ thống, cách thức hoạt động và sau đó đi tìm các ứng dụng thực tế đã
xuống chỉ còn vài centimet. Tất nhiên, độ chính xác càng cao thì máy thu GPS càng
phức tạp hơn và giá thành vì thế cũng tăng theo.
1.2. Cấu hình của hệ thống định vị GPS
Hệ thống GPS bao gồm ba phân đoạn là phân đoạn không gian (space segment), phân
đoạn điều khiển (control segment), phân đoạn người dùng (user segment).
Trang 2
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS
1.2.1. Phân đoạn không gian
GPS là một hệ thống gồm 24 vệ tinh chuyển động trên các quỹ đạo chung quanh
Trái Đất. Mỗi vệ tinh nặng khoảng 2 tấn, sử dụng năng lượng Mặt Trời, chuyển
động cách mặt đất khoảng 20.183km và có chu kỳ quay quanh trái đất là 11 giờ
57’58”. Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần trong ngày theo một quỹ
đạo rất chính xác và phát tín hiệu có 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 chúng. Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS
cách vệ tinh bao xa. Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu
Trang 3
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy. Máy
thu GPS phải có được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều
(kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động. Với bốn hay nhiều hơn số vệ
tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí 3 chiều (kinh độ, vĩ độ và độ
cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông
tin khác như tốc độ hướng chuyển động, bám sát di chuyển quãng cách tới điểm
đến, thời gian Mặt Trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa.
Phân đoạn không gian có các chức năng cơ bản sau:
- Nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền lên từ phân đoạn điều khiển.
- Duy trì thời gian chính xác nhờ các chuẩn tần số nguyên tử trên vệ tinh
- Diego Garcia island
- Hawaii
- Kawajalein island
Trạm theo dõi thông tin gởi xuống từ vệ tinh:
- Báo cáo chính xác của thời gian của đồng hồ vệ tinh.
- Tập hợp chuyển cho trạm điều khiển mọi thông tin về dữ liệu khí tượng bao
gồm: áp suất khí áp, nhiệt độ, điểm sương. Trạm điều khiển trung tâm sử
dụng những dữ liệu này để tính toán và đưa ra dự báo về quỹ đạo vệ tinh
trong tương lai.
Trạm điều khiển trung tâm sử dụng các trạm hiệu chỉnh số liệu để gởi thông tin
cho vệ tinh bao gồm:
Trang 6
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
- Mệnh lệnh hiệu chỉnh vĩ đạo vệ tinh. Vệ tinh sử dụng tín hiệu này để khởi
động các tên lửa điều khiển đưa vệ tinh về vĩ đạo đúng.
- Bản tin dẫn đường đến vệ tinh.
Các trạm hiệu chỉnh số liệu là các trạm được đặt ở Ascension island, Diego Garcia
island và Kawajalein island.
1.2.3. Phân đoạn sử dụng
Bao gồm các thiết bị thu tín hiệu GPS sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Kiểu loại thiết bị thu hết sức đa dạng, từ các thiết bị xách tay không đắt tiền đến
các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải được cấp chứng chỉ chất lượng kỹ thuật để
trang bị cho các trung tâm dẫn đường, điều hành bay.
Hình 2.5. Các hình thức sử dụng GPS
Thiết bị máy thu tín hiệu GPS chủ yếu gồm anten thu, bộ phận giải mã, bộ phận
xử lý các mã của tín hiệu vệ tinh GPS, riêng đối với ngành hàng không nó còn xử
lý các thông tin dẫn đường và truyền hiển thị các thông tin cho tổ lái và một số
thiết bị cần sử dụng dữ liệu GPS trong quá trình bay.
Trang 7
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Trang 9
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Sự phức tạp đó có một ưu điểm: sự phức tạp đảm bảo rằng máy thu không đồng bộ với
một tín hiệu nào đó không mong muốn. Dạng tín hiệu cũng đảm bảo không có một tín
hiệu nhiễu nào có dạng đúng như vậy. Bởi vì vệ tinh có một mã giả ngẫu nhiên duy
nhất, do đó đảm báo rằng máy thu không bắt nhầm tín hiệu của một vệ tinh khác. Do
đó các vệ tinh có thể sử dụng tần số giống nhau mà không sợ gây phiền nhiễu lẫn
nhau. Và còn khó hơn nếu ai đó muốn gây nhiễu cho hệ thống. Trong thực tế mã giả
ngẫu nhiên còn cho phép bộ quốc phòng Mỹ điều khiển truy cập vào hệ thống. Nhưng
còn một lý do nữa để sử dụng mã giả ngẫu nhiên, đó là có thể sử dụng “lý thuyết
thông tin để khuyếch đại tín hiệu GPS”. Đó chính là lý do tại sao các máy thu GPS
không cần sử dụng các anten lớn để thu tín hiệu – điều này khiến cho GPS trở nên rất
kinh tế.
Nếu như mấu chốt là đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu, thì thời gian đó
cần phải rất chính xác, bởi vì nếu thời gian lệch đi một phần nghìn giây thì với tốc độ
ánh sáng, độ lệch vị trí xác định sẽ là 200 dặm.
Đối với vệ tinh, thời gian có độ chính xác cực kỳ cao bởi vì nó có đồng hồ nguyên tử
rất chính xác. Nhưng còn đối với các máy thu trên mặt đất? Ta nhớ rằng cả vệ tinh và
máy thu cần phải đồng bộ mã giả ngẫu nhiên với nhau thì hệ thống mới có giá trị.
Nhưng nếu máy thu của chúng ta cần phải có đồng hồ nguyên tử thì hệ thống GPS sẽ
trở nên không kinh tế (đồng hồ nguyên tử có giá từ $50 đến $100), làm tăng giá thành
sản phẩm. Rất may là những người thiết kế hệ thống GPS có một sáng kiến tuyệt vời,
đó là thực hiện thêm một phép đo nữa. Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể:
Trang 10
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
Hình 2.8. Mô phỏng cách thức điều
chỉnh thời gian của đồng hồ tại máy
thu
Giả sử vị trí thực của chúng ta nằm ở
cách vệ tinh A là 4 giây và cách vệ tin B
vệ tinh để có thể xác định được chính xác vị trí của ta so với vệ tinh.
Để xác định vị trí ta còn phải biết vị trí của vệ tinh để lấy đó làm điểm tham chiếu. về
cơ bản các quỹ đạo là khá chính xác. Tuy nhiên, để tăng độ chính xác thì các vệ tinh
GPS luôn được giám sát bởi bộ quốc phòng. Họ sử dụng các radar vô cùng chính xác
để có thể kiểm tra vị trí chính xác của các vệ tinh, bao gồm cả vị trí và tốc độ. Lỗi
được kiểm tra được gọi là “lỗi thiên văn” bởi vì chúng ảnh hưởng đến tọa độ thiên văn
hay gọi là tọa độ quỹ đạo vệ tinh. Các lỗi này gây ra bởi lực hút của mặt trăng, mặt trời
và do áp suất của bức xạ mặt trời lên vệ tinh. Các lỗi này thường rất nhỏ nhưng nếu
muốn có sự chính xác thì sẽ phải tính đến nó. Sau khi bộ quốc phòng đã đo chính xác
vị trí của vệ tinh, họ sẽ truyền thông tin đó quay lại vệ tinh. Vệ tinh sau đó sẽ phát
cùng trong tín hiệu của mình cả thông tin về vị trí đã hiệu chỉnh. Như vậy bản tin của
vệ tinh bao gồm cả thông tin về thiên văn của nó (quỹ đạo, vị trí). Với thời gian chính
xác và xác định được vị trí chính xác của vệ tinh ta có thể tính toán vị trí của mình.
1.4. Phương pháp định vị trí của GPS
1.4.1. Định vị tuyệt đối
Định vị tuyệt đối còn gọi là định vị điểm đơn, tức là dựa vào trị đo khoảng cách
từ vệ tinh đến máy thu GPS để xác định trực tiếp vị trí tuyệt đối của anten máy
thu trong hệ toạ độ WGS-84 (hệ toạ độ có điểm gốc là tâm khối lượng Trái
đất). Định vị tuyệt đối còn được chia thành định vị tuyệt đối - tĩnh và định vị
tuyệt đối - động. "Tĩnh" hay "động" là nói trạng thái của (anten) máy thu
trong quá trình định vị.
Độ chính xác của định vị tuyệt đối- tĩnh ước đạt cỡ mét, còn độ chính xác định vị
Trang 12
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
tuyệt đối- động khoảng 10- 40 mét.
1.4.2. Định vị tương đối
Định vị tương đối là trường hợp dùng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm khác
nhau (hai điểm mút của một đường đáy) quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh
để xác định vị trí tương đối (DX, DY, DZ hoặc DB, DL, DH) giữa hai điểm mút
của đường đáy hoặc vector đường đáy trong hệ toạ độ WGS-84. Tương tự, nhiều
chính xác của đồng hồ. Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ
tinh thì ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như
nhau.
Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh. Cùng một máy thu, khi quan trắc
đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau
đối với các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ của các máy thu có thể được
coi là độc lập với nhau.
Như đã biết vận tốc truyền tín hiệu xấp xỉ 3.10
8
m/s, do đó nếu đồng hồ thạch
anh có sai số 10
-4
giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30.000m; nếu
đồng hồ nguyên tử có sai số 10
-7
giây thì sai số tương ứng của khoảng cách
là 30m.
Trong định vị GPS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1, 2, 3, có thể loại trừ
hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo.
Trang 14
Đề tài: Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng GVHD: ThS. Trần Bá Nhiệm
1.5.2. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Do sự thay đổi của trọng trường Trái đất, sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên
thể khác tác động lên vệ tinh, nên chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo
không hoàn toàn tuân theo định luật Kepler. Đó là nguyên nhân gây nên sai số
quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí của vệ tinh. Trong định vị GPS cần
phải sử dụng lịch quỹ đạo vệ tinh (Ephemerit). Các trạm điều khiển quan
trắc liên tục để xác định quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và đa ra lịch dự báo,
gọi là lịch vệ tinh quảng bá, cung cấp đại trà cho người sử dụng bằng cách thu
trực tiếp nhờ máy thu GPS. Lịch vệ tinh quảng bá cho phép xác định vị trí tức
Tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như:
Tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại, bê tông, mặt nước ) ở gần máy thu
GPS; tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở
gần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp); tín hiệu bị gián đoạn do
bị che chắn bởi các vật cản (nhà cửa, cây cối ). Các tín hiệu bị nhiễu nói trên
chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu gây ra sai số đối với trị
đo.
Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật dễ
phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời
đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu ở dưới các rặng cây.
Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn có các nguồn sai số khác như sai số
do ảnh hưởng xoay của Trái đất, do triều tịch của Trái đất, do hiệu ứng của
thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu, sai số vị trí tâm pha của anten.
Trong định vị chính xác cao cần phải xem xét và tìm biện pháp giảm ảnh
hưởng của các nguồn sai số này.
Trang 16
Copyright: Tài liệu đại học ©