TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
ThS. Nguyễn Duy Liêm Điện thoại: 0983.613.551
Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn
Bài giảng: Hệ thống Định vị Toàn cầu
(Global Positioning System - GPS)
4. Sai số của GPS
(Global Positioning System)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
Nội dung
Sai số vệ tinh
Sai số truyền tín hiệu
Sai số bộ thu
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
Sai số do con người
Phân loại sai số GPS
Độ chính xác định vị của GPS phụ thuộc vào những sai số mang tính vốn có của công nghệ.
Có thể phân loại sai số GPS thành các dạng sau:
Sai số vệ tinh
Quỹ đạo (lịch thiên văn)
Đồng hồ
Sai số truyền tín hiệu
Sai số khí quyển (tầng điện ly, tầng đối lưu)
Sai số đa đường truyền
Sai số bộ thu
Đồng hồ
Tọa độ của các trạm điều khiển
Định tâm, cân bằng máy thu
Nhiễu thiết bị
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
Sai số do con người
Giới hạn độ chính xác (Selective Availability- SA)
Chống giả mạo (Anti-Spoofing, AS)
Sai số vệ tinh
Sai số quỹ đạo
Vị trí của vệ tinh không đúng như vị trí trong lịch thiên văn
Sai số: 2- 5 m (có thể lên tới 50 m nếu có SA)
Do tác động của các lực hấp dẫn, lực gây nhiễu/xáo trộn
Sai số vệ tinh
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: 2,3 m
Có hai vấn đề xảy ra với đồng hồ vệ tinh (Sickle,
2001): hiệu ứng tương đối, hiệu ứng đồng hồ trôi dạt.
Hiệu ứng tương đối:
Theo lý thuyết tương đối, đồng hồ trong quỹ đạo sẽ chạy
nhanh hơn so với trên trái đất
(tốc độ nhanh hơn và lực hấp dẫn yếu hơn).
Hiệu ứng đồng hồ trôi dạt:
Mỗi vệ tinh GPS được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử chất
lượng cao (2 cesium, 2 rubidium).
Tuy nhiên, chúng vẫn có sai số: 8,64 – 17,28 nano giây/ngày
~ 2,59 - 5,18 m.
Sai số truyền tín hiệu
Sai số khí quyển
Khi tín hiệu GPS đi qua các hạt tích điện của tầng điện ly (50-200 km), và sau đó là hơi nước trong tầng đối lưu (0- 50 km), nó sẽdi chuyển chậm hơn, tạo nên độ trễ về thời gian.
Sai số truyền tín hiệu
Tầng điện ly
Độ cao 50 - 200km tính từ bề mặt trái đất.
Bao gồm các loại khí bị ion hóa bởi bức xạ mặt trời, hình thành những đám mây electron tự do.
Phụ thuộc vào ánh sáng của mặt trời: Sự ion hóa thường mạnh nhất vào cuối buổi trưa và yếu nhất một vài giờ sau nửa đêm.
Tác dụng chính của tầng điện ly lên tín hiệu GPS
Trì hoãn tốc độ truyền tín hiệu.
Phụ thuộc:
Tỉ lệ nghịch góc độ cao vệ tinh
Tỉ lệ thuận với tổng số electron
Sai số truyền tín hiệu
Tầng đối lưu
Vùng khí quyển trung hòa về điện.
Cách mặt đất đến 50 km.
Bao gồm không khí khô và hơi nước.
Tác dụng chính của tầng đối lưu lên tín hiệu GPS
Trì hoãn tốc độ truyền tín hiệu, sóng mang.
Phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và độ ẩm.
Sai số:
2,5 m theo hướng thiên đỉnh,
9,3 m cho một góc 15° độ cao,
20,28 m cho một góc 5° độ cao.
Sai số truyền tín hiệu
Sai số đa đường truyền
Tín hiệu truyền trong không gian đến bộ thu theo mọi hướng.
Trong trường hợp lý tưởng, tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu truyền theo một đường thẳng.
Nhưng trên thực tế, 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 máy thu.
Sai số vài chục mét.
Sai số bộ thu
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.
Sai số do tọa độ của các trạm điều khiển
Tọa độ của máy 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.
Sai số do định tâm, cân bằng máy thu
Do địa hình và kỹ năng của người sử dụng nên sẽ dẫn đến sai số khi định vị.
Nhiễu thiết bị
Phụ thuộc vào chất lượng của máy thu GPS.
Sai số 0,6 m
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
Đặc điểm hình học của vệ tinh có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu GPS và tính chính xác của định vị.
Các vệ tinh nằm ở vị trí tốt Sai số vị trí thấp
Các vệ tinh nằm ở vị trí xấu Sai số vị trí cao
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
Vị trí hình học lý tưởng/tốt của vệ tinh
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
Vị trí hình học không tốt của vệ tinh
Sai số vị trí tương đối vệ tinh- bộ thu
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.
Phân loại DOP:
VDOP: Vertical Dilution Of Precision (1D, cao độ)
HDOP: Horizontal Dilution Of Precision (2D, kinh độ, vĩ độ)
PDOP: Position Dilution Of Precision (3D)
TDOP: Time Dilution Of Precision (thời gian)
GDOP: Geometry Dilution Of Precision (3D + thời gian)
DOP thay đổi theo thời gian.
DOP càng nhỏ, hình học vệ tinh
càng tốt.
Độ chính xác của GPS
Phụ thuộc vào 2 yếu tố:
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, được gọi là “Sai số khoảng cách tương ứng của người sử dụng” (User
Equivalent Range Error, UERE).
Hình học của vệ tinh:
Thể hiện qua “Độ suy giảm chính xác” (Dilution Of
Precision, DOP).
Độ chính xác của GPS
Mối quan hệ UERE và DOP
σr là UERE,
σH, σV, σP và σT là độ lệch chuẩn theo phương ngang, thẳng đứng, vị trí (cả hai chiều ngang và thẳng đứng), và thời gian.
Sai số do con người
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.
Sai số do con người
Giới hạn độ chính xác (Selective Availability- SA)
Khi có SA, sai số: 100- 156 m.
Khi bỏ SA, sai số 20- 40 m.
Sai số do con người
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, bắt buộc phải sử dụng C/A code.
AS mã hóa P code vào một tín hiệu được gọi là Y code.
Chỉ người dùng có máy thu GPS quân sự (Mỹ, đồng minh của Mỹ) mới có thể giải mã Y code.
