Đề tài Hệ thống định vị toàn cầu GPS & ứng dụng

ng tin về trạng thái hệ thống trong các trang tài liệu NANU. Máy thu dân dụng có thể nhận các sản phẩm từ hệ thống NAVSTAR thông qua Ủy Ban Giao tiếp dịch vụ GPS dân dụng (CGSIC). Các hệ thống dẫn đường vệ tinh dùng để cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và thời gian cho các máy thu ở mọi thời điểm trên trái đất, trong mọi điều kiện thời tiết. Hệ thống có thể xác định vị trí với sai số từ vài trăm mét đến vài mét và có thể giảm 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. 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). Hình 2.1. Cấu hình của hệ thống định vị GPS 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 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 (đồng hồ nguyên tử). Truyền thông tin và tín hiệu tới cho người dùng trên một hoặc hai băng tần L. Hình 2.2. Phân đoạn không gian Phân đoạn điều khiển Phần điều khiển bao gồm: 1 trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 5 trạm theo dõi vệ tinh (Monitor Station), 3 trong số đó là trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) đặt trên mặt đất, liên tục giám sát đường đi của các vệ tinh trong không gian. Các trạm trong phần điều khiển có nhiệm vụ: Giám sát và hiệu chỉnh quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh. Tính toán và gởi các bản tin dẫn đường vệ tinh. Bản tin này được cập nhật hàng ngày mô tả về vị trí vệ tinh trong tương lai và thu nhận dữ liệu từ tất cả các vệ tinh gởi về. Cập nhật các bản tin dẫn đường vệ tinh một cách thường xuyên. Hình 2.3. Phần điều khiển vệ tinh trong hệ thống GPS Trạm điều khiển trung tâm đặt ở Colarado Spring, Colorado USA. Trạm trung tâm điều phối mọi hoạt động trong phần điều khiển. Trạm điều khiển trung tâm có một đồng hồ nguyên tử, thời gian của đồng hồ này được dùng để truyền đến cho vệ tinh, là thời gian chuẩn để hiệu chỉnh đồng hồ nguyên tử của vệ tinh. Hình 2.4. Vị trí đặt trạm điều khiển GPS trên mặt đất Các trạm giám sát theo dõi vệ tinh 24h/ngày. Trạm điều khiển trung tâm sẽ điều khiển các trạm giám sát thông qua các đường nối. Các điểm đặt trạm giám sát của hệ thống trên trái đất: Ascension island Colorado Spring, Colorado USA 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: 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. 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. Nguyên lý xác định vị trí của GPS Các vệ tinh chính là các điểm tham chiếu cho các vị trí trên trái đất. Nguyên lý cơ bản của GPS là sử dụng “phép tính toán tam giác”. Để tính toán tam giác, máy thu GPS đo khoảng cách dựa vào thời gian truyền sóng vô tuyến. Để đo thời gian đó, GPS cần phải xác định được thời gian một cách chính xác. Cùng với khoảng cách, GPS cũng cần phải xác định được chính xác vị trí của vệ tinh trong không gian. Cuối cùng, hệ thống cần phải hiệu chỉnh thời gian trễ khi truyền sóng qua tầng khí quyển. Bằng cách xác định khoảng cách tới 3 vệ tinh, ta có thể xác định được vị trí của ta chỉ có thể nằm tại một trong hai điểm trong không gian. Hình 2.6. Cách định vị một điểm trong không gian bằng GPS Vấn đề chỉ còn là đo thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu. Thời gian là một vấn đề khá phức tạp. Thứ nhất bởi vì thời gian rất ngắn. Nếu vệ tinh ở ngay phía trên thì thời gian truyền chỉ mất khoảng 0.06 giây. Do đó chúng ta cần phải có các đồng hồ chính xác. Giả sử có một cách để làm cho cả vệ tinh và máy thu cùng phát một tín hiệu như nhau đúng 12 giờ trưa. Nếu tín hiệu đó có thể truyền tới máy thu, thì chúng ta sẽ có hai tín hiệu, một từ chính máy thu, một từ vệ tinh. Khi đó, sẽ có hai phiên bản không đồng bộ với nhau. Phiên bản từ vệ tinh có thể bị trễ do phải truyền qua khoảng cách 11000 dặm (~20000km). Nếu ta muốn biết tín hiệu từ vệ tinh bị trễ bao nhiêu, ta có thể cho tín hiệu của máy thu đến khi chúng đồng bộ với nhau. Khoảng thời gian chúng ta phải dịch chuyển tin hiệu của máy thu để có được đồng bộ bằng với thời gian truyền từ vệ tinh cho tới máy thu. Do đó, chúng ta có thể nhân thời gian đó với vận tốc ánh sáng và sẽ xác định được khoảng cách tới vệ tinh. Distance = Time Delay * Speed of Light Hình 2.7. Công thức tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Mỗi vệ tinh đều sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất. Mã giả ngẫu nhiên là một phần cơ sở của GPS. Về mặt vật lý nó là một mã số rất phức tạp, nói cách khác nó là một chuỗi các ký tự đóng mở. Tín hiệu phức tạp đến nỗi trông nó gần như là nhiễu ngẫu nhiên, đó đó nó có tên là “giả ngẫu nhiên”. 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: 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 là 6 giây. Hai đường tròn cắt nhau tại điểm X chính là vị trí cần định vị. Nhưng giả sử rằng đồng hồ của máy thu chậm hơn so với đồng hồ toàn cầu 1 giây. Khi đó khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh A sẽ là 5 giây và tới vệ tnh B là 7 giây. Do đó, giao của hai đường tròn sẽ là tại điểm XX. Như vậy khoảng cách từ X tới XX sẽ là sai số gây ra do sự không chính xác của đồng hồ. Bây giờ ta sử dụng một vệ tinh thứ ba. Nếu như đồng hồ chính xác thì cả ba điểm này sẽ cắt nhau tại một điểm. Mà hai đường tròn trên đã cắt nhau tại XX thì nếu đúng, đường tròn thứ ba cũng sẽ đi qua điểm XX. Nhưng vì đồng hồ của ta sai 1 giây, do đó kết quả sẽ là: đường tròn thứ ba không đi qua XX, do đó máy thu biết ngay là có sai số về thời gian. Bởi vì sai số thời gian này sẽ ảnh hưởng lên tất cả các phép đo cho nên máy tính sẽ tính toán và rút ra một giá trị sửa lỗi sao cho tất cả các đường tròn đi qua đúng một điểm. Trong ví dụ này, giá trị cần sửa sẽ trừ đi 1 giây. Sau khi xác định được giá trị sửa, máy thu có thể sử dụng giá trị này cho các phép đo sau này. Và từ đó đồng hồ của máy thu đã được đồng bộ với thời gian toàn cầu. Tất nhiên quá trình sửa này cần lập lại theo định kỳ để đảm bảo đồng hồ của máy thu luôn luôn đồng bộ. Với cách này, thậm chí những máy thu GPS rẻ nhất cũng có thể có được thời gian chính xác như sử dụng đồng hồ nguyên tử và bây giờ chúng ta đã có thể xác định được chính xác vị trí. Sử dụng hệ quả của nguyên lý trên, ta có thể rút ra rằng: hệ thống GPS cần ít nhất bốn 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. Phương pháp định vị trí của GPS 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 tuyệt đối- động khoảng 10- 40 mét. 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 máy thu được đặt ở các điểm mút của một số đường đáy, quan trắc đồng bộ cùng các vệ tinh GPS thì có thể xác định được một số vector đường đáy đó. Nếu đã biết toạ độ của một điểm thì có thể dùng vector đường đáy để tính toạ độ của điểm kia. Định vị tương đối cũng được phân chia thành định vị tương đối - tĩnh và định vị tương đối - động. Định vị sai phân Định vị GPS sai phân còn gọi là định vị GPS vi phân (Differential GPS viết tắt là DGPS). Trong phương pháp này, một máy thu đặt tại một điểm đã biết toạ độ, gọi là trạm gốc hoặc trạm tham khảo, đồng thời có máy thu khác đặt ở điểm cần xác định toạ độ, gọi là trạm đo. Dựa vào toạ độ chính xác đã biết của trạm gốc, tính số hiệu chỉnh khoảng cách từ trạm gốc đến vệ tinh và số hiệu chỉnh này được máy GPS ở trạm gốc phát đi. Máy thu ở trạm đo, trong khi đo đồng thời cũng thu được số hiệu chỉnh từ trạm gốc và tiến hành hiệu chỉnh kết quả định vị, từ đó nâng cao độ chính xác định vị. Sai số trong định vị GPS Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có toạ độ đã biết. Khoảng cách đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máy thu. Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai số khác. Các nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến kết quả đo GPS. Sai số đồng hồ Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng. Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao nhưng không phải hoàn toàn không có sai số. Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ 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 3.108 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. 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 thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20 - 100 m. Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemerit). Lịch vệ tinh này được thành lập từ kết quả hậu xử lý số liệu quan trắc ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan trắc, có độ chính xác toạ độ vệ tinh cỡ 10 - 50m. Sai số vị trí của vệ tinh chịu ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến độ chính xác tọa độ điểm định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn), nhưng lại được loại trừ về cơ bản trong kết quả định vị tương đối. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km và tầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km. Tín hiệu truyền từ vệ tinh qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu, bị khúc xạ và thay đổi tốc độ lan truyền. Đối với tầng điện ly, giá trị sai số tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Đối với tín hiệu GPS, số hiệu chỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theo hướng có góc cao 200, có thể đạt đến 150m. Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly thường dùng máy thu 2 tần số, dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ. Đối với tầng đối lưu, sự khúc xạ của đờng truyền tín hiệu càng phức tạp hơn, phụ thuộc vào sự biến đổi của khí hậu mặt đất, áp lực không khí, nhiệt độ và độ ẩm, ảnh hưởng của khúc xạ trong tầng đối lưu phụ thuộc vào góc cao của đường truyền tín hiệu. Giá trị ảnh hưởng sai số theo hướng thiên đỉnh có thể đạt đến 2-3m, theo hướng có góc cao 10o có thể đạt đến 20m. Sai số do nhiễu tín hiệu 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. So sánh hai hệ thống định vị NAVSTAR GPS và GLONASS Cả hai hệ thống (GPS và GLONASS) có số lượng vệ tinh và cấu trúc quỹ đạo của phần không gian tương tự nhau, nghĩa là dự đoán các vùng làm việc dịch vụ cho người sử dụng chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố PDOP. Các dải tần số làm việc của hệ thống GPS và GLONASS tương đối gần nhau nên người sử dụng có thể thu nhận tín hiệu của hai hệ thống bằng một anten và bộ tiền khuếch đại chung. Sự khác nhau cơ bản giữa GLONASS và GPS được cho trong bảng sau: Bảng 2.1. Bảng so sánh sự khác nhau giữa GLONASS và GPS Thông số GLONASS GPS Số lượng vệ tinh 21+3 24+3 Số mặt phẳng quỹ đạo 3 6 Góc nghiêng quỹ đạo 64, 80 550 Độ cao vệ tinh 19. 100km 20. 200km Chu kỳ bay 11 Giờ 15 phút 12 Giờ Phương pháp mô tả dữ liệu lịch Thông số chuyển động vệ tinh trong hệ toạ độ địa tâm Thông số Kepler Hiệu chỉnh thời gian hệ thống so với UTC UTC (SU) UTC (USNO) Dung lượng lịch vệ tinh 120 Bit 152 Bit Khoảng thời gian phát lịch vệ tinh 2, 5 Phút 12, 5 Phút Phương pháp truy nhập tín hiệu vệ tinh Tần số Mã Dải tần làm việc (1602, 5625¸161, 5)±0, 5MHz 1575, 42±1 MHz Tần số dải L2 1246, 4375¸1256, 5 MHz 1227, 6 MHz Số phần tử của một mã 511 1023 Tần số mã 0, 511 MHz 1, 023 MHz Mức giao thoa giữa hai kênh lân cận -48 DB -21 DB Chu kỳ lặp của mã đồng bộ 2 Giây 6 Giây Số bit trong mã đồng bộ 30 6 Kiểu mã sử dụng định vị Mã vàng Ngược lại với hệ thống GPS, trong hệ thống GLONASS người ta sử dụng phương pháp chia tần số tín hiệu. Sự khác biệt này có thể gây ra một vài vấn đề phức tạp, bởi vì cần phải phát triển các bộ đồng bộ tần số cho máy thu người sử dụng để tạo lại dạng tín hiệu gốc cho từng tần số sóng mang cho mỗi vệ tinh thích hợp. Tín hiệu của hệ thống GLONASS được phát trên hai băng tần L1 và L2. Các tín hiệu trên L2 được điều chế theo mã đặc biệt với dự tính không áp dụng cho người sử dụng dân sự. Hơn nữa, các tín hiệu phát trên dải tần số này có thể còn được áp dụng để loại trừ sai số tầng điện ly bằng kỹ thuật giải mã tín hiệu nhận được. Một khía cạnh khác cần được xem xét là sự khác nhau giữa hai hệ toạ độ trắc địa là hệ trắc địa toàn cầu WGS-84 được sử dụng trong hệ thống GPS, còn hệ toạ độ địa tâm SGS-85 được sử dụng cho GLONASS. Sự khác nhau này làm phát sinh sai số trong việc định vị dẫn đường khi kết hợp hai hệ thống. Sự khác nhau về chuẩn thời gian của các hệ thống sẽ yêu cầu 5 chứ không phải 4 vệ tinh để định vị. Dựa vào các thông số kỹ thuật của hai hệ thống ta thấy rằng, về cơ bản là tương đương nhau. Xét về khía cạnh kinh tế - xã hội, ta thấy, với đà phát triển kinh tế của Mỹ cũng như các ảnh hưởng về chính trị - quân sự, đặc biệt là khả năng tiếp cận thị trường nhanh trong việc sản xuất hàng loạt các chủng loại máy thu GPS, trong đó có cả máy cầm tay rất gọn và rẻ, nên trong thực tế GPS chiếm được ưu thế hơn trên thị trường quốc tế. Và cứ nói đến định vị toạ độ bằng vệ tinh là người ta nói đến GPS của Mỹ. Ứng dụng thực tiễn Xử lý thời gian thực và xử lý sau Xử lý thời gian thực thường được sử dụng cho các ứng dụng dẫn đường, trong khi đó xử lý sau thường hiệu quả cho các ứng dụng định vị động. Trong nhiều trường hợp, việc xem xét đến sự nâng cao độ chính xác và độ tin cậy có thể được thiết lập bằng cách sử dụng kết quả của thời gian thực làm đầu vào cho việc làm trơn sau. Phương pháp thời gian thực có hai ưu điểm. Nó cung cấp thông tin ngay lập tức và cách nén số liệu tốt. Điều này hoàn toàn đúng, như phương pháp lọc Kalman, với nén một số lượng lớn các dữ liệu vệ tinh và quán tính vào một trạng thái vector với một số nhỏ các thành phần và một ma trận hiệp phương sai chứa các thông tin thống kê. Không có những bộ lọc chuyên dùng sẽ khó có thể xác lập một hệ thống hoạt động và nhu cầu lưu trữ. Tuy nhiên, ưu điểm của phép xử lý thời gian thực sẽ là nhược điểm của xử lý sau. Bởi vì các bộ lọc thời gian chỉ có thể sử dụng các số liệu tại thời điểm lọc, các ước lượng của chúng chỉ tối ưu đối với tập con các số liệu tại thời điểm đó. Vì vậy các kết quả tốt nhất của phép xử lý sau chỉ có thể nhận được sau khi có được toàn bộ số liệu. Những điều này đòi hỏi phải lưu trữ kết quả trung gian, nếu không làm như vậy phép xử lý thời gian thực sẽ làm mất đi các thông tin có giá trị cho việc xử lý sau. Những phân tích như vậy không chỉ quan trọng theo quan điểm độ chính xác mà còn cần thiết cho việc phát hiện những sai số lớn, như sai số trượt chu kỳ, mà rất khó khăn để loại bỏ trong việc xử lý thời gian thực. Phép xử lý sau (postmission processing) loại bỏ hầu hết những vấn đề trong xử lý thời gian thực và tăng thêm một đặc tính có lợi cho việc kiểm tra và cải tiến mô hình. Điều này có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp, trong số đó phương pháp làm trơn tối ưu (optimal smoothing) có vẻ là tương đối thích hợp. Độ chính xác cao của kết quả, đặc biệt trong trường hợp mô hình động được sử dụng, sẽ giúp cho việc phát hiện các lỗi thô trở nên dễ dàng hơn. Ngoài ra, các sai số thặng dư và các nguồn sai số ngoài mô hình có thể được phân tích và nhận biết đầy đủ. Với khả năng lưu trữ hiện nay, những đặc tính như nhu cầu về bộ nhớ lớn, nhược điểm của phép xử lý sau, không còn là một vấn đề quan trọng. Vì vậy các phép đo cần sử dụng phép xử lý sau làm phương pháp chuẩn cho tất cả các trường hợp không yêu cầu thời gian thực. Độ chính xác và thiết bị Sự khác nhau về độ chính xác giữa những kiểu định vị khác nhau gắn liền với sự khác nhau về nhu cầu trang thiết bị. Đối với các phương pháp định vị động tuyệt đối, sự khác nhau giữa các kết quả thời gian thực và xử lý sau là không quan trọng, các số liệu tiêu biểu đưa ra ở đây là đối với kết quả xử lý sau. Các giá trị đưa ra ở đây tương đối đúng so với thực nghiệm. Kết luận quan trọng đầu tiên là việc thêm vào các thông tin định vị tương đối dưới dạng pha hoặc vận tốc quán tính đều không làm thay đổi đáng kể độ chính xác của định vị động tuyệt đối. Lý do quá rõ ràng, nguồn sai số chủ yếu trong định vị động tuyệt đối là sai số do quỹ đạo và khúc xạ ở tầng điện ly. Cả hai yếu tố đó đều không thể loại bỏ bằng các số đo pha sóng mang. Việc tăng độ chính xác trong phương pháp kết hợp và tích hợp bằng các máy thu mã C/A (C/A-Code) là do kết quả làm trơn các số liệu bị nhiễu bằng các thông tin do pha sóng mang hay hệ quán tính cấp, chứ không phải do việc loại trừ sai số nói trên. Việc nâng cao độ chính xác bằng phương pháp định vị động tương đối cho thấy khả năng của phương pháp này trong những ứng dụng trắc địa. Điều đáng chú ý là không có sự phân biệt giữa kết quả mã C/A và mã P. Các ước lượng độ chính xác của phép định vị động kết hợp đã nhận được trên cơ sở giả thuyết các trị số đo trượt chu kỳ có thể đuợc loại bỏ phần lớn ra khỏi số liệu đo. Có thể có độ chính xác cao hơn, những kết quả ở đây được rút ra từ những nghiên cứu mô hình định vị động, cần được nghiên cứu sâu hơn. Bảng 3.1. Độ chính xác của các phương pháp đo Phương pháp định vị Độ chính xác Yêu cầu thiết bị Phương pháp tuyệt đối Khoảng cách giả 20-30(m) 1 máy thu mã C/A 15-20(m) 1 máy thu mã P Kết hợp 15-20(m) 1 máy thu Tích hợp 15-20(m) 1 máy thu cộng với hệ quán tính Phương pháp tương đối Khoảng cách giả 5-10(m) 2 máy thu Kết hợp 0.5-1.5(m) 2 máy thu Tích hợp 0.2-0.3(m) 2 máy thu cộng với hệ quán tính Phạm vi ứng dụng Mặc dù các ứng dụng trong GPS mới chỉ xuất hiện trong những thập niên qua, nhưng hiện nay, nhiều ứng dụng mới và thú vị đang được nghiên cứu và triển khai ở nhiều nước. Phần giới thiệu này chưa thật hoàn chỉnh, nó chỉ tập trung những công việc đang tiến triển ở Canada. Các ứng dụng sẽ được chia làm 3 nhóm chính như sau: Nhóm đầu tiên, các ứng dụng độ chính xác thấp từ 20m - 30m và được thực hiện bằng phép định vị động tuyệt đối. Nhóm thứ 2 là các ứng dụng có độ chính xác trung bình, được sử dụng khi yêu cầu định vị ở độ chính xác từ 5m-10m và có thể được thực hiện bằng mô hình động tương đối khoảng cách giả. Nhóm thứ 3 là các ứng dụng có độ chính xác cao sẽ đươc dùng khi yêu cầu định vị ở độ chính xác khoảng từ 0.5m – 2.0m. Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà người ta có thể dùng phép định vị động tương đối theo pha, tổ hợp hay tích hợp. Dùng trong hầu hết các ứng dụng dẫn đường: định vị và dẫn đường xe tải, taxi, xe cứu thương, các ứng dụng giám sát đối tượng di động trên mặt đất. Các ứng dụng đo đạc thuỷ văn Ứng dụng trên các máy bay đo độ sâu đáy biển Khảo sát địa chấn 3-D Phép đo đạc tam giác bằng máy bay Hệ thống xây dựng bản đồ vector trọng lực Phân tích trọng trường bằng máy bay Kết hợp định vị Laser trên máy bay 1m Độ chính xác (1s) 10m 30m Hình 3.1. Các ứng dụng định vị động theo cấp độ chính xác của GPS. Các ứng dụng độ chính xác thấp (low accuracy applications) sẽ rất tốt cho hầu hết các tác vụ dẫn đường trong hàng hải và hàng không và đơn giản hóa phần lớn các phương pháp trắc địa địa lý bằng máy bay. Những ứng dụng mới đang xâm nhập vào trong lĩnh vực định vị các phương tiện giao thông đường bộ chẳng hạn, các ứng dụng thú vị trong việc định vị và dẫn đường cho đoàn xe tải, xe cứu thương và xe taxi. Các ứng dụng này sẽ rất kinh tế khi giá máy thu mã C/A giảm. Các ứng dụng GPS động với độ chính xác trung bình (medium accuracy applications) hầu hết sẽ thay thế một số hệ thống quan sát thủy văn hiện đang sử dụng. Định vị trên các tàu khi hạ thủy (launch positioning) và đo sâu là hai trong số đó. Do nhu cầu phải có kết quả thời gian thực nên việc duy trì liên lạc thông suốt bằng radio là cực kỳ quan trọng trong trường hợp này. Các ứng dụng độ chính xác cao (high accuracy applications) của GPS theo kiểu đo pha, kết hợp hoặc tích hợp sẽ tạo ra nhiều hệ thống chuyên dùng khác nhau cho phép giải quyết các vấn đề không thể giải quyết được bằng phương pháp đo đạc cổ điển. Một số hệ thống ứng dụng quan trọng là tam giác ảnh hàng không không cần điểm khống chế mặt đất, trọng lực - trọng sai hàng không và những phương tiện chuyển động trên mặt đất có thể xác định được trọng lực và độ cao Geoid. Ứng dụng độ chính xác cao còn được xúc tiến trong một số ứng dụng mà kỹ thuật trắc địa hiện hành còn bị hạn chế chưa giải quyết được như: đo vẽ mặt cắt địa hình bằng phương pháp địa chấn ba chiều hoặc laser hàng không. Việc quyết định sử dụng GPS đơn thuần hay dùng phương pháp tích hợp phụ thuộc vào việc giải quyết vấn đề trượt chu kỳ cho các ứng dụng đó. Ứng dụng GPS vào thực tiễn Các ứng dụng trên phương tiện đường bộ Các phương tiện giao thông đường bộ sử dụng GPS ở hai nhóm chính là độ chính xác thấp và độ chính xác cao. Một vài ứng dụng có thể có sẽ được mô tả một cách ngắn gọn ở đây trước khi đưa ra các kết quả. Vị trí hiện tại Đường đi tối ưu Bản đồ số Đích đến Hình 3.2. Các ứng dụng với độ chính xác thấp. Trong các ứng dụng độ chính xác thấp (low accuracy applications), các máy thu là một thành phần của hệ thống có khả năng tích hợp định vị thời gian thực của GPS với các thông tin được lưu trữ trong bản đồ để hiển thị vị trí của phương tiện đó trên bản đồ điện tử (electronic map) hoặc để hướng dẫn phương tiện đó đi bằng con đường đi tối ưu (optimized path). Khả năng triển khai những hệ thống này phụ thuộc vào giá thành máy thu và hiện tại có thể áp dụng đối với xe cứu thương, xe tải, taxi và có thể là ôtô ray. Các ứng dụng trên tàu thuyền Các ứng dụng về biển yêu cầu thoả mãn cả 3 cấp độ của độ chính xác. Vấn đề gặp phải với các ứng dụng trên tàu thuyền là việc đặt anten. Thông thường anten luôn cao hơn trọng tâm của phương tiện điều này dẫn đến gia tốc ănten lớn và có những sai lệch về trị số trượt chu kỳ. Vì vậy, trường hợp này sử dụng phương pháp pha sẽ phụ thuộc vào việc giải bài toán trượt chu kỳ. Mặt khác, việc chuyển động anten cũng làm khó khăn cho việc xác định chính xác quỹ đạo của phương tiện di chuyển. Vì vậy, để đạt được những độ chính xác như các phương tiên trên bộ và trên không thì phương tiện đường thủy phải trang bị thêm một số thiết bị khác. Các ứng dụng có độ chính xác thấp là các ứng dụng GPS về dẫn đường trên mặt nước. Thường dùng kiểu định vị tuyệt đối, sử dụng các máy thu mã C/A giá thành thấp để làm tăng độ kinh tế cho ứng dụng. Các ứng dụng có độ chính xác trung bình là các ứng dụng về khảo sát thủy văn. Dùng phương pháp đo pha tương đối theo thời gian thực. Điều này sẽ dẫn đến các vấn đề về nhiễu và trị số trược chu kỳ. Các ứng dụng có độ chính xác cao là các ứng dụng về thám hiểm địa vật lý, độ chính xác yêu cầu từ 2-5 m với các số đo địa chấn 3 chiều, và tốc độ khoảng 10cm/s. Bảng 3.2. Yêu cầu độ chính xác của các ứng dụng. Ứng dụng Yêu cầu độ chính xác Dẫn đường trên biển 1 Km Dẫn đường dọc bờ biển 50-100m Khảo sát thủy văn 2-5m Khảo sát địa chấn 3 chiều 2-5m Khảo sát trọng lực <10 cm/s Các ứng dụng trên máy bay Các ứng dụng GPS hàng không yêu cầu cả 3 cấp độ về độ chính xác tùy thuộc yêu cầu ứng dụng. Những vấn đề quan tâm trong hàng không hiện nay là phương pháp định vị trực tiếp hướng tới độ chính xác khoảng 1m hoặc nhỏ hơn. Khả năng này mở ra những ứng dụng mới trong lĩnh vực lượng ảnh, trắc địa và địa vật lý mà cho tới nay vẫn chưa được xét đến. Một số ít trong số đó là tam giác ảnh không cần điểm khống chế mặt đất, đo trọng lực và độ cao hàng không, và mặt cắt địa hình bằng laser hàng không. Từ những quan điểm về hoạt động của máy bay, ta có thể phân biệt ứng dụng hàng không thành hai loại: ứng dụng trên máy bay cánh cố định (fixed wing applications) và ứng dụng trên máy bay trực thăng (helicopter apllications). Máy bay cánh cố định làm việc trong môi trường động lực ổn định và phù hợp hầu hết với các ứng dụng có độ cao là hằng số và thời gian biểu nhất định. Nó chỉ nảy sinh vấn đề khi cất cánh và lượn vòng tiếp đất. Về máy bay trực thăng thì ngược lại nhưng nó lại dễ dàng thay đổi tốc độ, độ cao và dễ dàng cho việc tiếp đất. Trong cả hai truờng hợp đều phải xem xét tới vấn đề đặt anten. Trên máy bay cánh cố định anten thường được đặt trên thân máy bay, nơi ít chịu ảnh hưởng của bóng râm và đa phương(multipath). Đối với máy bay trực thăng lớn, anten có thể đặt ở đỉnh quạt. Tuy nhiên, để làm được việc này thì ta phải chịu một chi phí cao. Còn với máy bay trực thăng nhỏ thì có thể đặt ở trục cánh cân bằng của máy bay. Nhìn chung việc đặt anten trên máy bay trực thăng là rất phức tạp. Các yêu cầu về độ chính xác đối với các ứng dụng trên máy bay được liệt kê trong bảng dưới đây: Bảng 3.3. Yêu cầu độ chính xác trong ứng dụng hành không. Ứng dụng Yâu cầu độ chính xác Đo độ sâu bằng Laser 15-20m Định vị cứu sinh 10-15m Tam giác ảnh 1-2m Trọng trường hàng không 2m chiều cao 10cm/s vận tốc Định vị điểm khống chế <0.5m Lát cắt Laser <0.5m Đo sâu Laser Một trong những hệ thống hàng không đã được phát triển để đo sâu vùng nước nông là máy đo sâu Lindar (lindar bathymetry). Máy gồm một laser tần số kép, một tần số phản xạ tại mặt nước và một tần số xuyên qua mặt nước và phản xạ tại đáy biển. Như vậy độ sâu tại đó được xác định bằng cách lấy hiệu hai chiều cao đo được từ máy đo. Để lập mặt cắt độ sâu ta phải xác định khoảng cách máy bay dưới dạng hàm thời gian. Mặc dù đã có những hệ thống dẫn đường chính xác tới 15-20m, GPS đuợc trang bị cho các ứng dụng, do nó có thể hoạt động ở những vùng xa xôi. Trạm GPS tham chiếu (DGPS) Mặt nước biển Laser hai tần số H Đáy biển HMặt nước d: Độ sâu đáy biển d = HĐáy biển – H Mặt nước Hình 3.3. Ứng dụng đo độ sâu đáy đại dương. Máy bay GPS định vị động và ứng lập bản đồ hải dương học Độ sâu đáy biển có thể được đo bằng máy đo sâu Lindar, tuy nhiên việc đo độ sâu sẽ bị ảnh hưởng khi gặp hiện tượng nước trồi (sea swell) hay hiện tượng triều cục bộ (local tide) trên biển. Để khắc phục hiện tượng này người ta sử dụng hệ thống LADS (The Laser Airborne Depth Sounder) kết hợp với một máy thu GPS định vị động gắn trên máy bay. Máy thu GPS định vị động sẽ cung cấp độ cao của máy bay và hệ thống (LADS) sẽ đo khoảng cách từ máy bay tới mặt nước biển và độ cao từ máy bay đến mặt nước biển. Độ cao mặt nước và bản đồ độ sâu được xác định qua các trị đo này. Tính khả thi và độ chính xác của kỹ thuật định vị động GPS trên ứng dụng máy bay phạm vi rộng (long-range airborne application), kết hợp laser đo sâu và kỹ thuật LADS cung cấp cho ta khoảng cách từ máy bay tới bề mặt nước biển, cho phép lập bản đồ hải dương học với độ chính xác cao. Sự kết hợp hai kỹ thuật trên được sử dụng để xây dựng bản đồ hải dương học, nếu độ cao mặt nước trên ellipsoid là hằng số trong một vùng nhỏ. HGPS HLaser Hswell HTide N Geoid Ocean swells Mặt nước trung bình Quỹ đạo máy bay Ellipsoid WGS84 Hình 3.4. Xác định bề mặt nước biển bằng kỹ thuật tích hợp GPS-LADS Hệ thống LADS dùng tia hồng ngọai để xác định khoảng cách từ máy bay tới mặt nước, với tốc độ lấy mẫu 168Hz. Dữ liệu này có thể kết hợp với độ cao quỹ đạo của máy thu GPS để xác định được điểm thấp nhất của mặt cách nước biển. Độ cao quỹ đạo GPS (HGPS) được tham chiếu đến ellipsoid WGS84 và chiều cao laser của LADS (Hlaser) tham chiếu đến điểm thấp nhất của mặt nước. N là độ cách biệt của bề mặt Geoid địa phương (local Geoid). Và Htide là độ cao được nâng lên bởi thủy triều địa phương. Quan hệ của chúng được biểu diễn như sau: HGPS – Hlaser = Hswell + HTide + N Trong đó: HSwell: độ cao trồi lên của nước biển. Để loại bỏ các độ lệch tuyến tính gây ra bởi trị nhập nhằng người ta dùng các phép nội suy (phần mềm nội suy AUSLIG). Sau khi loại bỏ độ cao Geoid, một phép tuyến tính được áp dụng để loại bỏ các số hạng hằng và số hạng độ dốc trong Hswell + HTide. Điều này có nghĩa là số hạng hằng và độ dốc sẽ được loại bỏ sau mỗi lần chạy. Tuy nhiên có thể bỏ qua nó trong ứng dụng vì độ lệch này rất nhỏ. Bước cuối cùng là lưu lại giá trị độ cao của Geoid. Từ đó suy ra độ cao mặt nước biển được xác định. Ứng dụng trên máy bay trực thăng lập mặt cắt Laser Ưu điểm chủ yếu của việc dùng máy bay trực thăng thay cho máy bay cánh cố định là tính cơ động của loại máy bay này. Tính đứng yên, di chuyển nhanh và yêu cầu khoảng không gian nhỏ để hạ cánh mở ra những khả năng những ứng dụng mới cho máy bay trực thăng, Sử dụng loại máy bay này ta có thể định vị vật thể hoặc vị trí không thể hạ cánh như định vị các phao nổi hay các vị trí trong rừng rậm. Có thể lập mặt cắt tại các vùng có địa hình nhấp nhô một cách dễ dàng. Nhiều kỹ thuật trắc địa quán tính hiện đang sử dụng trên máy bay trực thăng được thay thế bằng các kỹ thuật GPS. Để định vị điểm khống chế và lập mặt cách địa hình bằng laser, cần phải đạt độ chính xác khoảng 0.5m. Điều này đòi hỏi dùng phương pháp đo pha tương đối hoặc một phương pháp tích hợp thích hợp. Phương pháp đo pha tương đối hoặc kết hợp tương đối đủ chính xác để dùng cho ứng dụng nhưng ta cần phải lưu ý tới tư thế bay của trực thăng. Hệ tích hợp là tốt nhất cho ứng dụng này. Mặt cắt Laser Hình 3.5. Lập mô hình mặt cắt địa hình bằng kỹ thuật Laser-GPS Tùy thuộc vào các ứng dụng yêu cầu độ chính xác mà ta chọn phương pháp cũng như mô hình của GPS để áp dụng. Điều này muốn nói rằng ta phải đảm bảo được độ chính xác của GPS phải cao hơn hoặc bằng với yêu cầu độ chính xác của ứng dụng. Tất nhiên cũng không nên dùng các phương pháp có độ chính xác cao để áp dụng các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác vừa phải để tránh việc lãng phí không cần thiết. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực giáo dục Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục (Mapping & GIS Educator) giới thiệu những giải pháp đơn giản và đa dạng, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho các tổ chức giáo dục, thực hiện việc giảng dạy về công nghệ GPS và GIS cho học viên dựa trên những công nghệ mới nhất của Trimble. Chương trình hỗ trợ giáo dục được thiết kế với mục đích phục vụ cho các tổ chức giáo dục và đào tạo. Bằng cách cân đối nhu cầu giữa GPS/GIS các tổ chức này có thể được hưởng rất nhiều quyền lợi của chương trình, cũng như cơ hội lựa chọn thiết bị phần cứng và phần mềm với giá ưu đãi đặc biệt nhằm tiết kiệm nhất cho nguồn kinh phí đầu tư. Đặc điểm chính của Chương trình thiết bị Bản đồ & GIS Giáo dục: Lựa chọn bản quyền sử dụng phần mềm cho từ 2 đến 100 học viên Nhiều giải pháp giảm giá thiết bị phần cứng Bộ thiết bị cầm tay Juno™ ST cho lớp học Dịch vụ hỗ trợ nhằm đảm bảo phần mềm luôn được cập nhật Đào tạo cấp chứng chỉ chuyên nghiệp theo hệ thống Trimble Ứng dụng GPS trong thu thập GIS di động GIS di động chính là việc sử dụng số liệu địa lý ngay trên thực địa bằng các thiết bị di động. Đây thực sự là bước thay đổi lớn trong việc làm thế nào để cơ sở dữ liệu địa lý được sử dụng và quản lý một cách hiệu quả trong mỗi cơ quan hay tổ chức. GIS di động là sự kết hợp hài hoà giữa ba hợp phần cơ bản: Hệ thống định vị vệ tinh GPS, máy tính cầm tay loại chắc chắn và phần mềm GIS. Kết hợp tất cả những công nghệ này sẽ tạo điều kiện cho những người làm việc ngoài thực địa có thể truy cập trực tiếp vào cơ sở dữ liệu của tổ chức đó bất kỳ khi nào và bất kỳ ở đâu khi có nhu cầu khai thác. Khi những người lính cứu hoả hoặc nhân viên cứu trợ khẩn cấp không thể kiểm soát được những ảnh hưởng từ thảm hoạ thiên nhiên họ sẽ cần đến những thông tin hiện trạng và chính xác để đưa ra chững quyết định quan trọng có liên quan đến mạng sống con người hay những nguồn tài nguyên. Đó chính là lý do mà việc ứng dụng GIS di động ngày càng trở nên cấp bách; các nhóm làm việc trên thực địa được trang bị công nghệ GIS di động bây giờ có thể ứng phó khi những điều kiện hiện trường thay đổi và ngay lập tức đưa ra được những quyết định hợp lý, thay đổi chiến thuật quản lý và điều khiển trên hiện trường, thông báo tình trạng cho tất cả các thành viên cũng như các nhóm làm việc khác – tất cả những thông tin và số liệu này được đảm bảo cập nhật tới từng phút. Với những lợi thế vượt trội của công nghệ GIS di động, nhân viên tìm kiếm cứu nạn, điều tra viên, các nhóm duy tu bảo dưỡng thiết bị, các đội kiểm tra đảm bảo hoạt động các trang thiết bị hạ tầng đô thị, và rất nhiều các nhóm ngành ứng dụng thực địa khác có khả năng truy cập vào cơ sở dữ liệu trong chế độ thời gian thực để đảm bảo thực thi nhiệm vụ được giao một cách hiệu quả, an toàn và tin cậy nhất, ngay trên thực địa. Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật toán bình sai xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại: - Đo đạc địa chính - Lập lưới khống chế trắc địa. - Theo dõi độ biến dạng cục bộ. - Theo dõi độ biến dạng toàn bộ. Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4. Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS. Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5. 10-6 đến 1. 10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS. Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu. Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác. Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ.... Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình. Hệ thống giám sát giao thông trên nền tảng GPS Hệ thống giám sát giao thông trên nền tảng GPS– GPS-Based traffic monitoring system của tác giả Sutardja, Sehat là một hệ thống mô hình hệ thống được đăng ký độc quyền tại Mỹ với mã số tài liệu US 7260472B2 công nhận vào ngày 21 tháng 8 năng 2007 của tác giả Sutardja, Sehat. Hình 3.6. Mô hình giải thuật của hệ thống US 7260472B2 Hệ thống này sẽ nhận biết client đang ở trạng thái đỗ hay là đang dy chuyển. Nếu client đang dy chuyển thì các thông tin về tốc độ và hướng dy chuyển sẽ được gửi về server. Hệ thống server sẽ nhận các thông tin trạng thái của client để phân tích tình trạng mật độ giao thông cũng như tốc độ của client trên đường. Server có các dữ liệu về các bãi đỗ xe thông minh trên đường tại Mỹ, nhờ đó hệ thống có thể xác định được liệu là khi tốc độ của client là 0km/h thì tình trạng là đang kẹt xe hay là đang đỗ. Hoặc khi trạng thái client không đổi, server cũng có chức năng truy vấn đến client để xác định có dấu hiệu là kẹt xe thì server sẽ thông tin về cho client bằng RSS. Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ các bãi đỗ xe chức năng thống kê hoạt động của bãi nhờ việc cung cấp các thông tin client ra vào bãi. Trang web giao thông www.traffic.com Traffic.com còn được biết là Navteq Traffic, Traffic Pulse và Mobility Technology. Nó là một website của Mỹ dùng để thu thập và cung cấp thông tin qua các phương tiện truyền thông , thiết bị kỹ thuật số. Các thông tin về giao thông của traffic.com được sử dụng cho các bản tin, những thông báo về giao thông trên các phương tiện radio, truyền hình của nhiều tiểu bang ở Mỹ như Philadelphia, Chicago,... Hệ thống của traffic.com có thể thu thập hầu như các thành phố lớn của tất cả các tiểu bang ở Mỹ. Hình 3.7. Hình ảnh thể hiện tình trạng giao thông ở Philadelphia Cách thức hoạt động Traffic.com nguồn nhận biết tình trạng giao thông nhờ 4 nguồn thông tin: các cảm biến giao thông trên các con, các thiết bị GPS, các thống kê của chính phủ và những trạm trung tâm xử lý của traffic.com. Hệ thống cảm biến giao thông đặt ở nhiều địa điểm quan trọng trong các thành phố và ngày càng được mở rộng. Traffic.com được các tổ chức chính phủ cung cấp các thông tin thông kê về tình trạng giao thông. Các trung tâm xử lý của traffic.com đặt ở các thành phố thu thập thông tin về giao thông bằng nhiều nguồn khác nhau như các thông tin từ cảnh sát, lính cứu hỏa, các hình ảnh từ camera giao thông, từ các xe tham gia giao thông, từ các máy bay trực thăng. Quản lý xe oto, xe bus bằng công nghệ GPS GPS TRACKER là một hệ thống tự động ứng dụng công nghệ định vị qua vệ tinh (GPS) kết hợp với công nghệ GSM/GPRS và GIS giúp giám sát xe từ xa theo thời gian thực mang lại những lợi ích thiết thực trong công tác quản lý của doanh nghiệp. Giám sát từ xa lộ trình của xe theo thời gian thực với các thông số vị trí xe chính xác đến từng con đường, vận tốc, hướng di chuyển, trạng thái tắt/mở máy xe, trạng thái quá tốc độ. Nhiều giao diện giám sát khác nhau: giám sát một hoặc tất cả các xe trện một màn hình bản đồ, có nhiều dạng bản đồ để quan sát: bản đồ số, bản đồ vệ tinh, bản đồ kết hợp. Tự động cảnh báo về trung tâm khi vượt quá tốc độ cho phép. Tự động cảnh báo về trung tâm khi vượt ra khỏi vùng giới hạn. Báo động tình trạng khẩn cấp về trung tâm nhờ nút ấn SOS. Trạng thái xe hiển thị trực tiếp trên bản đồ số chi tiết 64 tỉnh thành ở trung tâm. Lưu giữ lộ trình từng xe trong thời gian 3 tháng hoặc 6 tháng (tùy theo yêu cầu của Khách Hàng). Tìm kiếm và mô phỏng lại lộ trình đã đi của từng xe. Thao tác phóng to/thu nhỏ, kéo thả trên bản đồ số 64 tỉnh thành Việt Nam dễ dàng và nhanh chóng. Cho phép thêm các điểm riêng vào bản đồ số. Công cụ báo cáo dữ liệu theo nhiều tiêu chí. Ngoài ra còn có thể kết hợp với một số cảm biến đặc thù khác để gửi các thông số cần quan tâm như nhiệt độ, trọng lượng,... về trung tâm. Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh. Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0. 5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau. Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0. 5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo. Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực. Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS. Ứng dụng GPS trong lĩnh vực quân sự Hoạch định đường đi cho các loại tên lửa bom thông minh hay máy bay, kiểm soát các hành động qua vệ tinh Một số ứng dụng cụ thể: Tên lửa hành trình Hình 3.8. Tên lửa hành trình Máy bay huấn luyện Hình 3.9. Máy bay huấn luyện Bom thông minh: Hình 3.10. Bom thông minh Kết luận Với sự phát triển lớn mạnh của khoa học kỹ thuật, các công nghệ như GPS sẽ không còn là xa lạ với mọi người và nó sẽ dần dần trở thành một công cụ hữu ích cho tự động hóa và từ đó sẽ giúp nâng cao chất lượng của cuộc sống. Với một tương lai không xa, GPS được kỳ vọng sẽ là một công nghệ giúp con người chinh phục mọi nơi trên trái đất, vẽ bản đồ chính xác mọi miền, góp phần giúp thế giới trở nên “phẳng” hơn. Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt Phùng Trí Tuệ (2009), Bảo mật email & phòng chống spam, Đồ án môn học, Trung tâm đào tạo quản trị và an ninh mạng Athena. Trường Đại học Giao thông Vận Tải TP.HCM (2010), Bài giảng hệ thống định vị, Bài giảng Vũ Phương Thảo (2007), Đồ án Bộ môn Trắc địa công trình Đồ án môn học, trường Cao đẳng Trắc địa Mai Thị Lan, , Slide Tìm hiểu GPS và ứng dụng Đồ án định vị toàn cầu GPS, vuson.tk “Wikipedia”, vi.wikipedia.org/wiki/Hệ_thống_định_vị_toàn_cầu [truy cập vào 04-2012]. Tài liệu tiếng Anh “Navteg”, [truy cập 12/2011] DAVID WELLS,‘GPS Positioning‘, Canadian GPS Associates, 1986-1987. TRIMBLE, ‘Trimble Servey Controller Reference Manual’. [04] JEFF HURN: ‘GPS a Guide to the Next Utility’, Trimble Navigation, 1989. [05] Michael Kennedy,‘Global Positioning System and GIS: An Introduction‘, Ann Arbor Press, Inc.