ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP

(1)

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP

ÔN C T NG Đ N T N C

Bài 1. Giới thiệu GPS Tóm tắt nội dung

 Nhu cầu định vị của con người

o Ta đang ở đâu trên mặt đất này?

o Ta đang đi đâu?

 Phương pháp định vị

o Quan sát những đối tượng xung quanh ta, ước lượng vị trí tương đối của ta đối với chúng

o Nhưng nếu không có đối tượng nào xung quanh ta? Giả sử như khi ta đang ở trong sa mạc hay giữa đại dương?

 Sử dụng mặt trời và các ngôi sao để định hướng.

 Sử dụng điểm tham chiếu để tiến hành đo đạc hoặc tìm đường.

o Kĩ thuật sơ khai

 Đánh dấu đường đi bằng ụ đá

 Vẽ bản đồ trên phiến đất sét hoặc mảnh giấy da o Khảo sát, đo đạc

o Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite Systems- GNSS)

 Tổng quan về GPS

o Tên gọi, Tổ chức phát triển, Mục đích o Lược sử phát triển

o Phạm vi ứng dụng

 Nguyên lý hoạt động của GPS

o Vệ tinh GPS truyền tín hiệu theo sóng vô tuyến với tốc độ ánh sáng đến các bộ thu GPS.

o Bộ thu GPS đo thời gian tín hiệu đi từ vệ tinh đến bộ thu.

o Khoảng cách tới mỗi vệ tinh GPS được xác định bằng cách nhân vận tốc ánh sáng với thời gian.

o Biết khoảng cách từ ít nhất 4 vệ tinh GPS, bộ thu GPS có thể tính toán vị trí của nó trên mặt đất hoặc trong không trung (máy bay).

o Vị trí có thể được mô tả theo hệ tọa độ trắc địa (kinh độ, vĩ độ, cao độ) hoặc hệ tọa độ phẳng UTM (X, Y, Z).

 Những phân đoạn của GPS o Phân đoạn không gian o Phân đoạn kiểm soát o Phân đoạn người dùng Câu hỏi bài luận

 Trình bày ưu điểm, nhược điểm của hệ thống GPS (so sánh với phương pháp khảo sát, đo đạc truyền thống). Từ đó, lý giải vì sao GPS lại được sử dụng phổ biến như hiện nay?

 GPS có chức năng cung cấp thông tin gì cho người sử dụng? Giả sử như bạn đang bị lạc trong một cánh rừng, bạn sẽ sử dụng GPS như thế nào để thoát ra khỏi đó?

 Giải thích ý nghĩa của 3 từ “Global”, “Positioning” và “System” cấu thành thuật ngữ GPS?

 Nêu các sự kiện quan trọng trong lịch sử phát triển của GPS tương ứng với các mốc thời điểm: 1960, 1978, 4/1995, 2000?

 Trình bày đặc điểm, vai trò của 3 phân đoạn GPS?

(2)

 Tìm hiểu các hệ tọa độ và hệ thống thời gian được sử dụng trong GPS?

Câu hỏi ngắn

 GPS là viết tắt của cụm từ nào?

 Các đặc điểm của vệ tinh GPS?

 Bỏ qua ảnh hưởng của khí quyển, tại một vị trí trên mặt đất, có thể quan sát thấy bao nhiêu vệ tinh trên bầu trời trong cùng một lúc?

 Các vệ tinh GPS sử dụng nguồn năng lượng nào để duy trì hoạt động?

 Hệ thống GPS do cơ quan nào phát triển và vận hành?

 Tất cả các vệ tinh GPS đều sử dụng loại đồng hồ nào?

 Tất cả các bộ thu GPS hiện nay đều sử dụng loại đồng hồ nào?

 Quốc gia nào đã phát triển hệ thống GLONASS như một phương án thay thế cho hệ thống GPS của Mỹ?

 Thời xa xưa, tổ tiên loài người đã biết sử dụng phương pháp định vị nào?

 Tín hiệu GPS được truyền đi dưới dạng sóng gì?

 Hiện tại, có tổng số bao nhiêu vệ tinh (hoạt động, ngừng hoạt động) nằm trong GPS?

Bài 2. Nguyên tắc hoạt động GPS Tóm tắt nội dung

 Định vị thông thường: 1 chiều, 2 chiều

 Định vị từ GPS

o 1 vệ tinh  hình cầu o 2 vệ tinh  hình tròn

o 3 vệ tinh  2 điểm (1 điểm trên mặt đất, 1 điểm trong không trung)

o 4 vệ tinh  1 điểm (xác nhận vị trí đúng, loại bỏ sai số do không đồng bộ thời gian giữa vệ tinh và bộ thu)

 Nguyên lý chung

o Tín hiệu phát ra từ vệ tinh được mã hóa dưới dạng một đoạn mã code.

o Để nhận được tín hiệu, bản thân bộ thu cũng tạo ra một đoạn mã code tương ứng.

o Chỉ khi 2 đoạn mã code trùng nhau, lúc này tín hiệu mới vào được bộ thu.

o Sự lệch pha giữa code từ vệ tinh và code thu được bởi bộ thu chính là khoảng thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến bộ thu (t).

o Điều kiện lý tưởng

 Khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu là R = c*t

 t là khoảng thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến bộ thu

 c là tốc độ ánh sáng trong chân không

o Điều kiện thực tế (do sự không đồng bộ giữa đồng hồ bộ thu và đồng hồ vệ tinh)

 Khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu là R =  + c*

  là khoảng cách thực tế giữa vệ tinh và bộ thu

 c là tốc độ ánh sáng trong chân không

  là giá trị lệch pha giữa bộ thu và vệ tinh ( = dt – dT) Câu hỏi bài luận

 Mô tả nguyên tắc hoạt động của hệ thống GPS?

 Viết công thức xác định khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu theo 2 trường hợp: điều kiện lý tưởng (đồng hồ bộ thu đồng bộ với đồng hồ vệ tinh) và điều kiện thực tế (đồng hồ bộ thu không đồng bộ với đồng hồ vệ tinh)?

(3)

 Biết rằng thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến bộ thu là 0,05s, tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792.458 m/s. Bỏ qua sai số, hãy xác định khoảng cách từ vệ tinh đến bộ thu trong 3 trường hợp sau: a) đồng hồ bộ thu đồng bộ với đồng hồ vệ tinh, b) đồng hồ bộ thu chậm hơn đồng hồ vệ tinh 0,001ms; c) đồng hồ bộ thu nhanh hơn đồng hồ vệ tinh 0,001ms.

Lưu ý: 1s = 10³ms.

 Để tiến hành đo 2D, 3D bộ thu cần tiếp nhận tín hiệu của ít nhất mấy vệ tinh?

 Hệ thống GPS hoạt động dựa trên nguyên tắc toán học nào?

 Trong không gian 3 chiều, cho biết tọa độ (kinh độ, vĩ độ, cao độ) của các vệ tinh như sau: A (108ôE, 10ôN, 20.200km), B (107ôE, 9ôN, 21.000km), C (106ôE, 11ôN, 20.500km). Khi đó khoảng cách tính được từ các vệ tinh A, B, C đến bộ thu D lần lượt là 30.000km, 22.000km, 25.000km. Hãy xác định tọa độ của bộ thu D?

Bài 3. Cấu trúc tín hiệu GPS Tóm tắt nội dung

 Thông tin truyền từ vệ tinh GPS: Sóng mang, Mã tín hiệu, Tin nhắn dẫn đường

 Sóng mang

o Sóng vô tuyến (radio wave)

 Dạng hình sin o Sóng mang L1:

 Tần số 1.575,42 MHz,

 Bước sóng 19 cm o Sóng mang L2:

 Tần số 1.227,60 MHz ,

 Bước sóng 24 cm

o Bản thân sóng mang không chứa thêm thông tin gì ngoài tần số, bước sóng và biên độ.

Do đó, nếu muốn truyền thêm bất kì thông tin nào, cần phải điều biến nó (modulate).

 Amplitude Modulation (điều biến biên độ)

 Frequency Modulation (điều biến tần số)

 Phase Modulation (điều biến pha)

 Mã tín hiệu

o Mã tín hiệu chứa một chuỗi số nhị phân 0 và 1, mỗi giá trị như thế gọi là bit hay chip.

o Mã tín hiệu được điều biến pha kép (biphase modulation) vào trong sóng mang.

o Việc đo khoảng cách bằng các mã tín hiệu này gọi là đo khoảng cách giả (pseudo range)

o Các mã tín hiệu được điều biến chồng vào 2 sóng mang được gọi là nhiễu ngẫu nhiên giả (PRN: Pseudo Random Noise) và duy nhất cho mỗi vệ tinh.

o Có 2 loại mã tín hiệu:

 Coarse Acquisition hay Civilian Code (C/A Code)

 Precise hay Protected Code (P Code) o C/A Code

 Được điều biến chỉ trong sóng mang L1

 Chứa 1.023 số nhị phân

 Lặp lại mỗi mili giây

 Tần số là 1.023 MHz

 Ít chính xác so với P Code

 Ít phức tạp

 Sẵn sàng cho mọi người sử dụng (SPS)

(4)

o P Code

 Được điều biến cả sóng mang L1 và L2

 Chứa dãy số nhị phân rất dài

 Lặp lại mỗi 267 ngày, chia thành 38 phân đoạn, mỗi phân đoạn tương ứng 1 tuần

 32 phân đoạn dùng cho các vệ tinh, mỗi vệ tinh một phân đoạn tuần duy nhất, thay đổi theo mỗi tuần

 Tần số là 10,23 MHz

 Chính xác hơn so với C/A Code

 Phức tạp

 Chỉ cho quân đội Mỹ sử dụng (PPS) o C/A Code vs. P Code?

 P Code là mã tín hiệu dành cho quân đội

 Được bảo mật, chống giả mạo

 Quân đội có thể mã hóa (không cần thông báo)

 P Code trở thành Y Code

 Có thể giải mã cho đối tượng ưu tiên

 Tin nhắn dẫn đường

o Thông tin trong tin nhắn

 Tọa độ vệ tinh

 Tình trạng vệ tinh

 Hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

 Lịch vệ tinh

 Dữ liệu về khí quyển o Cách thức truyền

 Dòng dữ liệu

 Tần số thấp: 50 bps (50Hz)

 Do sóng mang L1 và L2 truyền đi

o Mỗi tin có 25 khung (frame), mỗi khung chứa 1500 bit o Mỗi frame có 5 frame con (subframe)

Câu hỏi bài luận

 Mô tả và cho biết ý nghĩa của các thông tin có trong tin nhắn dẫn đường?

 Cấu trúc tín hiệu GPS gồm những thành phần nào? Nêu vai trò của các thành phần đó? Theo anh/chị, thành phần nào giữ vai trò cốt yếu trong quá trình định vị của GPS? Vì sao?

 Mã tín hiệu được điều biến vào trong sóng mang theo phương pháp nào?

 So sánh sóng mang L1 và L2?

 Phải cần bao nhiêu phút để truyền tải hết 1 bản tin dẫn đường?

 Phương pháp đo khoảng cách giả (pseudo range) từ vệ tinh GPS được xác định bằng cách nào?

 Vai trò của nhiễu ngẫu nhiên giả (PRN: Pseudo Random Noise) là gì?

 C/A Code và P Code có vai trò như thế nào trong hệ thống GPS?

Bài 4. Sai số GPS Tóm tắt nội dung

 Sai số vệ tinh

o Sai số quỹ đạo

(5)

 Vị trí của vệ tinh không đúng như vị trí trong lịch thiên văn

 Sai số: 2- 5m (có thể lên tới 50m nếu có SA)

 Do tác động của các lực hấp dẫn, lực gây nhiễu/xáo trộn o Sai số đồng hồ

 Là sai số giữa thời gian chuẩn của hệ thống GPS và thời gian dự đoán trong bản tin dẫn đường của vệ tinh.

 Sai số: 2,3m

 Có hai vấn đề xảy ra với đồng hồ vệ tinh (Sickle, 2001): hiệu ứng tương đối, hiệu ứng đồng hồ trôi dạt.

 Sai số khí quyển o Tầng điện ly

 Bao gồm các loại khí bị ion hóa bởi bức xạ mặt trời, hình thành những đám mây electron tự do.

 Sự ion hóa thường mạnh nhất vào cuối buổi trưa và yếu nhất một vài giờ sau nửa đêm.

 Trì hoãn tốc độ truyền tín hiệu GPS, phụ thuộc:

 Tỉ lệ nghịch góc độ cao vệ tinh

 Tỷ lệ thuận với tổng số electron o Tầng đối lưu

 Vùng khí quyển trung hòa về điện

 Bao gồm không khí khô và hơi nước

 Trì hoãn tốc độ truyền tín hiệu, sóng mang GPS

 Phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, góc độ cao vệ tinh

 Sai số đa đường truyền

o Do trên mặt đất có các công trình có khả năng phản xạ sóng cao nên một số tín hiệu sẽ phản xạ vào các vật này, sau đó sẽ đi vào bộ thu.

o Sai số vài chục mét.

 Sai số bộ thu

o Sai số đồng hồ

 Do các yếu tố như điều kiện khí hậu, bảo quản, nguyên liệu chế tạo... nên không thể đồng bộ hóa với đồng hồ của vệ tinh.

o Sai số do tọa độ của các trạm điều khiển

 Tọa độ của bộ thu được xác định dựa trên tọa độ của vệ tinh. Trong khi đó tọa độ vệ tinh lại được xác định dựa vào tọa độ của các trạm điều khiển.

 Tuy nhiên, tọa độ trạm điều khiển cũng không hoàn toàn chính xác, do chịu sai số bởi hình dạng trái đất và các loại sai số do dụng cụ đo đạc, chính vì vậy nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả định vị bằng GPS.

o Sai số do định tâm, cân bằng bộ thu

 Do địa hình và kỹ năng của người sử dụng nên sẽ dẫn đến sai số khi định vị.

o Nhiễu thiết bị

 Phụ thuộc vào chất lượng của bộ thu GPS

 Sai số 0,6m

 Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu

o Đặc điểm hình học của vệ tinh có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu GPS và tính chính xác của định vị.

o Độ suy giảm chính xác (Dilution Of Precision, DOP)

 Phản ánh vị trí của mỗi vệ tinh so với các vệ tinh khác đang được thu nhận bởi bộ thu.

o Phân loại DOP

 VDOP: Vertical Dilution Of Precision (1D, cao độ)

(6)

 HDOP: Horizontal Dilution Of Precision (2D, kinh độ, vĩ độ)

 PDOP: Position Dilution Of Precision (3D, kinh độ, vĩ độ, cao độ)

 TDOP: Time Dilution Of Precision (thời gian)

 GDOP: Geometry Dilution Of Precision (3D + thời gian) o DOP càng nhỏ, hình học vệ tinh càng tốt

 Độ chính xác của GPS phụ thuộc vào 2 yếu tố:

o Độ chính xác đo đạc:

 Thể hiện bằng sự ảnh hưởng tổng hợp của sai số vệ tinh, sai số truyền tín hiệu, sai số bộ thu gọi là “Sai số khoảng cách tương ứng của người sử dụng” (User Equivalent Range Error, UERE)

o Hình học của vệ tinh:

 Thể hiện qua “Độ suy giảm chính xác” (Dilution Of Precision, DOP) o Mối quan hệ UERE và DOP

 Sai số do con người

o Giới hạn độ chính xác (Selective Availability- SA)

 Ban đầu, độ chính xác của C/A code và P code là gần như giống nhau cho các bộ thu

 Để đảm bảo an ninh quốc gia, ngăn chặn các thế lực thù địch, Bộ Quốc phòng Mỹ tạo ra SA nhằm làm giảm độ chính xác của GPS

 Xuất hiện từ 25/3/1990 và loại bỏ vào 2/5/2000

 Phương thức: cố tình tạo sai số về thời gian tín hiệu, lịch thiên văn vệ tinh

 Khi có SA, sai số: 100- 156m

 Khi không có SA, sai số 20- 40m o Chống giả mạo (Anti-Spoofing, AS)

 Tương tự như SA, AS được tạo ra nhằm hạn chế dân sự và thù địch truy cập vào các phần P code của tín hiệu GPS  buộc sử dụng C/A code.

 AS mã hóa P code vào một tín hiệu được gọi là Y code.

 Chỉ người dùng có bộ thu GPS quân sự (Mỹ, đồng minh của Mỹ) mới có thể giải mã Y code.

Câu hỏi bài luận

 Phân loại, nắm rõ đặc điểm của các dạng sai số GPS?

 Sắp xếp các sai số GPS theo 3 phân đoạn của GPS (phân đoạn không gian, phân đoạn kiểm soát và phân đoạn người dùng)?

 Trong các dạng sai số GPS, sai số nào có thể loại bỏ hoàn toàn? Vì sao?

 Phân biệt Giới hạn độ chính xác (Selective Availability- SA) với Chống giả mạo (Anti- Spoofing, AS)?

 Mối quan hệ UERE và DOP?

 Khi đi vào bầu khí quyển Trái Đất, tín hiệu GPS sẽ chịu ảnh hưởng bởi tầng nào?

 Sai số khí quyển ở tầng điện ly, tầng đối lưu phụ thuộc vào yếu tố nào?

 Công thức tính toán UERE và DOP?

Bài 5. Phương pháp đo GPS Tóm tắt nội dung

 Định vị điểm

o Sử dụng 1 bộ thu o Dạng đo phổ biến

o Tất cả các bộ thu đều là chế độ mặc định

(7)

o Nguyên tắc:

 Tọa độ điểm có được khi bộ thu nhận tín hiệu ít nhất của 4 vệ tinh đồng thời và tọa độ các vệ tinh

 Tọa độ vệ tinh: tin nhắn dẫn đường

 4 vệ tinh  (X, Y, Z) bộ thu và sai số đồng hồ bộ thu

 Nếu nhiều hơn 4 vệ tinh thì phương pháp bình phương cực tiểu được sử dụng o Tọa độ nhận được trong hệ quy chiếu WGS84

o Các bộ thu mới có thể khai báo hệ quy chiếu o Độ chính xác: với C/A Code: 22m (không SA)

 Định vị tương đối hay DGPS o Sử dụng 2 bộ thu

o Dạng đo phổ biến cho các ứng dụng có độ chính xác cao hơn o Nguyên tắc:

 Cùng vệ tinh

 Ít nhất là 4 vệ tinh

 1 bộ thu đã biết tọa độ chính xác gọi là base

 Bộ còn lại ở vị trí cần đo gọi là rover

 Sai số ở base dùng để bù trừ cho rover o Tọa độ nhận được trong hệ quy chiếu WGS84 o Các bộ thu mới có thể khai báo hệ quy chiếu o Độ chính xác:

 Phụ thuộc vào dạng đo là pha hay khoảng cách giả, xử lý sau hay thời gian thật và đo tĩnh, động hay kết hợp có độ chính xác từ vài mm tới vài m.

 Khoảng cách giữa 2 bộ thu

 DGPS Tĩnh

o Đo pha sóng mang: 1 tần số, 2 tần số (thường được sử dụng) o Cách đo:

 Có rover đặt tại vị trí đo trong cả ca đo

 Thời gian đo: > 20 phút o Xử lý sau:

 Thu nhận ngoài thực địa

 Trút vào PC xử lý để nhận kết quả o Kết quả

 Phụ thuộc: khoảng cách 2 bộ thu, số lượng vệ tinh có thể thấy và DOP

 Độ chính xác cao, thông thường: 5mm+1ppm o Ứng dụng:

 Khi cần độ chính xác cao nhất có thể

 Cho các điểm đo tương đối xa

 Làm các điểm khống chế

 DGPS- Tĩnh nhanh

o Đo pha sóng mang: 1 tần số, 2 tần số o Cách đo

 Bộ thu base tĩnh

 Rover đứng yên thời gian ngắn: 2 – 10 phút

 Có thể tắt rover khi di chuyển o Xử lý sau:

 Trút vào PC xử lý để nhận kết quả o Kết quả:

 Phụ thuộc vào thời gian đo

(8)

 Đủ dữ liệu chung: dưới 1 dm

 Không đủ dữ liệu chung: vài dm

 2 tần số sẽ nhanh và kết quả tốt o Ứng dụng

 Độ chính xác yêu cầu thấp: cấp độ cm và dm

 Lượng điểm đo tương đối nhiều

 Các điểm cần ở khoảng cách tương đối xa

 Baseline: dưới 20km

 DGPS- Dừng và đi

o Giống đo tĩnh nhanh o Cách đo

 Khởi động: base và rover nhận cùng 4 vệ tinh

 Rover di chuyển tới mỗi điểm

 Rover dừng khoảng 30 giây cho mỗi điểm

 Luôn luôn mở rover và theo dõi 4 vệ tinh trước đó

 Nếu bị tắt thì phải để lại

 Nên đo khép vòng o Xử lý sau:

 Trút vào PC xử lý để nhận kết quả o Kết quả

 Cấp độ cm

 Nếu mất dấu 4 vệ tinh chung: sai số lớn hơn o Ứng dụng:

 Số lượng điểm cần đo lớn

 Các điểm đo nằm không xa nhau

 Baseline dưới 15km

 DGPS- Thời gian thực động (RTK)

o Đo pha sóng mang: 1 tần số, 2 tần số o Thêm bộ phát rađiô

o Cách đo

 Khởi động: base + kết nối bộ phát rađiô

 Rover đeo ở lưng gắn với bộ nhận rađiô

 Rover sẽ di chuyển tới các điểm cần đo o Xử lý thời gian thực:

 Base gởi thông tin + tọa độ tới bộ phát rađiô

 Rover nhận các thông tin từ bộ phát rađiô

 Rover xử lý, hiệu chỉnh tính tọa độ điểm đo o Kết quả

 Thông thường: 2 - 5cm

 Nếu rover dừng lâu (30 giây): độ chính xác cao hơn o Ứng dụng

 Số lượng điểm lớn

 Các điểm gần nhau

 Baseline: dưới 15km

 Cần tọa độ thời gian thực

 Các điểm tương đối khuất nhau

 DGPS- Thời gian thực o Đo khoảng cách giả o Thêm bộ phát nhận rađiô

(9)

o Cách đo

 Khởi động: base + kết nối bộ phát rađiô

 Rover gắn với bộ nhận rađiô

 Rover sẽ di chuyển tới các điểm cần đo o Xử lý thời gian thực:

 Base nhận tọa độ gởi tới rover nhở bộ phát đáp rađiô

 Rover xử lý, hiệu chỉnh tính tọa độ điểm đo o Kết quả

 Phụ thuộc baseline

 Tốc độ truyền thông tin của bộ phát rađiô

 Nhiễu khi nhận C/A Code

 Độ chính xác 1m - 5m o Ứng dụng

 Baseline: hàng trăm km

 Thời gian thực

 Độ chính xác cấp độ m Câu hỏi bài luận

 Phân biệt đặc điểm của các chế độ đo GPS?

 Xử lý thời gian thực và xử lý sau trong đo GPS là gì? Ưu, nhược điểm của 2 phương pháp này?

 Tìm hiểu cách định vị tọa độ của 1 điểm dựa trên các điểm đã biết tọa độ (khoảng cách, góc)?

 Phương pháp đo GPS nào có khả năng khắc phục sai số đa đường truyền?

 Hai phương pháp đo DGPS thời gian thực động và thời gian thực có điểm gì khác biệt so với các phương pháp đo GPS tĩnh, tĩnh nhanh, dừng và đi?

 Nhờ đâu mà bộ thu GPS có thể biết được vị trí của mỗi vệ tinh GPS tại bất kỳ thời điểm nào?