GPS - Hệ thống định vị toàn cầu

GPS vi sai
GPS được xem như là hệ thống định vị dùng sóng điện từ chính xác nhất hiện nay. GLONASS thì hoạt động cầm chừng với 1/3 đến 1/2 công suất, Galileo của châu Âu thì đến năm 2008 mới xong. GPS đã thừa chính xác cho rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống, tuy nhiên, con người luôn mong muốn hơn nữa. Cao hơn, nhanh hơn, xa hơn, và chính xác hơn. Vì vậy một số kỹ sư ?olanh mưu? đã nghĩ ra cái gọi là "Differential GPS" gps tạm dịch là GPS vi sai, một giải pháp thông minh và rẻ tiền để giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác. (gps cũng là kỹ sư nên khen phe ta chút đỉnh)
Differential GPS hay "DGPS" có thể mang lại độ chính xác trong phạm vi vài mét cho máy thu đang chuyển động, còn máy thu đang đứng yên thì còn cao hơn thế. Độ chính xác của DGPS làm cho GPS trở nên quan trọng hơn và có nhiều ứng dụng hơn. GPS trở nên không chỉ là hệ thống dẫn đường cho máy bay, tàu bè trên toàn thế giới, những người vô công rồi nghề như gps, mà còn là được sử dụng như một công cụ đo lường toàn cầu có khả năng định vị rất chính xác cho các ứng dụng dân sự.
DGPS liên quan tới việc sử dụng phối hợp 2 máy thu, một cái đứng yên làm chuẩn, một cái mang đi đo lòng vòng.
Chắc các bạn đều nhớ rằng máy thu GPS nhận tín hiệu từ tối thiểu 4 quả vệ tinh để xác định toạ độ của nó. Trong bản thân mỗi tín hiệu vệ tinh đã tiềm tàng sai số rồi, trên đường đi, nó còn trở nên hư hỏng hơn với nhiều sai số hơn. Bản thân nguồn đã có sai số rồi thì kết quả tính toán của máy thu phải là một hỗn hợp của các sai số đó mà thôi. Đó là nguyên nhân dẫn đến sai số 15 mét, và DGPS sẽ giúp chúng ta giảm sai số này xuống trong vòng 3-5 mét mà thôi.
May mắn thay, kích thước khổng lồ của GPS đã giúp chúng ta. Đường kính quĩ đạo của vệ tinh quá lớn đã khiến cho khoảng cách vài trăm cây số trên mặt đất trở nên nhỏ bé. Vì thế, nếu hai máy thu được đặt gần nhau, tín hiệu truyền tới hai máy thu có thể xem như đã đi qua cùng một lân cận của bầu khí quyển và như vậy, sẽ hầu như có cùng sai số. Đó là ý tưởng chính của DGPS. Nếu chúng ta có một máy thu GPS đo sai số thời gian của tất cả các vệ tinh (trong tầm nhìn) và cung cấp thông tin đó cho những máy thu khác trong khu vực lân cận, thì có thể loại trừ hầu hết các sai số, kể cả sai số nhân tạo đáng nguyền rủa Selective Availability do bộ quốc phòng Mỹ cố tình đưa vào. (Cám ơn ông Clinton ngoài thời gian hú hí với cô em Monica đã ký quyết định tắt SA, nhưng đừng vội mừng, biết đâu ông Bush có thể bật lại để yên tâm đánh nhau với Irắc)
Để tính ra sai số đồng hồ , một máy thu được đặt ở một nơi đã biết trước toạ độ một cách chính xác. Tạm goi máy này là máy tham chiếu (gọi máy mốc cũng được mà nghe hơi kỳ). Máy tham chiếu này cũng nhận được tín hiệu y chang như mấy cái khác đang đi lòng vòng trong lân cận bán kính e rờ. Nhưng thay vì từ tín hiệu tính ra toạ độ thì nó lại làm ngược lại là dùng toạ độ đã biết để tính ra thời gian (hay khoảng cách thì tuỳ bạn vì thời gian chính là khoảng cách). Máy tham chiếu tính ra thời gian cần thiết để tìn hiệu truyền tới nó, rồi so sánh với thời gian truyền thực. Sự khác biệt chính là hệ số hiệu chỉnh. Sau đó, máy tham chiếu phát hệ số hiệu chỉnh này tới các máy lòng vòng để tụi nó biết đường mà lần. Thiệt ra mà nói thì máy mốc đâu có biết tụi lòng vòng nó dòm ngó những vệ tinh nào, vì vậy nó chơi tới luôn bằng cách tính toán hệ số hiệu chỉnh cho tất cả các vệ tinh trong tầm nhìn. Sau đó phát đi một thông báo đại thể như sau: ?oÊ cái bọn lang thang kia, nghe tớ nói đây, bây giờ tín hiệu từ vệ tinh #1 trễ 19 nano giây, #2 trễ 3 nano giây ?.?. Và cứ thế giòng đời trôi chảy mãi.
Bọn lang thang nhận thông điệp này và đưa vào hệ số hiệu chỉnh cho tín hiệu từ vệ tinh nào mà nó đang dùng để xác định toạ độ của mình.
(tranh thủ giờ nghỉ trưa post đoạn này lên. còn tiếp)
Được gps sửa chữa / chuyển vào 14:45 ngày 07/01/2003

GPS ơi,
Mình đang không có nhiều thời gian, nên chưa kịp tìm hiểu về DGPS (WAAS) và DGPS (USCG) là như thế nào? Cậu có biết thì bảo mình với.

Các bài viết của bạn GPS về công nghệ GPS được trình bày rất sáng sủa, rõ ràng và logic. Mong rằng tiếp tục nhận được những bài viết giá trị của bạn.

Hồi xửa hồi xưa, mấy anh kỹ sư lanh mưu nhà mình nghĩ ra cái DGPS mới dụ dỗ các công ty có những dự án lớn yêu cầu độ chính xác cao lại có lắm tiền như mấy anh dầu khí và bản đồ để lắp đặt các trạm máy mốc cho mấy anh này. Cho tới nay, hai anh này vẫn là các khách hàng sộp của DGPS. Nhưng bây giờ thì thời thế có đổi thay chút ít. Ở Mỹ đã có những trạm công cộng truyền hệ số hiều chỉnh miễn phí !!! Lực lượng tuần duyên Mỹ và các cơ quan khác của chính phủ Mỹ đã thiết lập các trạm phát ở khắp nơi, đặc biệt là chung quanh các cảng và tuyến giao thông thuỷ.
Các tín hiệu này cũng được truyền trên dải tần 300kHz là dải tần dẫn đường hàng hải ở Mỹ. (Các bạn đừng hỏi tại sao chỉ nói đến Mỹ vì các ứng dụng GPS phổ biến nhất ở Mỹ và Canada, châu Âu kém hơn rất nhiều)
Bất kì ai trong vùng phủ sóng cũng có thể tận dụng được thông tin hiệu chỉnh này cải thiện được độ chính xác của việc định vì bằng GPS. Hầu hết các tàu thuyền đều đã được trang bị radio thu tín hiệu dẫn đường rồi nên việc thu thêm tín hiệu DGPS cũng không khó lắm. Máy thu GPS bây giờ thường được thiết kế để có thể chấp nhận hiệu chỉnh, một số khác được trang bị cả máy thu tín hiệu hiệu chỉnh. Chà, nghe sao giống máy ảnh chuyên nghiệp quá, nhiều chức năng ghê !!!
Sơ đồ DGPS

Bản đồ các trạm phát DGPS và phạm vi phủ sóng ở Mỹ

Và ở Nhật Bản
Được gps sửa chữa / chuyển vào 13:58 ngày 08/01/2003

USCG là tên viết tắt của Lực lượng tuần duyên Mỹ, những người đã xây dựng, lắp đặt, vận hành và phát triển mạng lưới thu phát DGPS trên toàn lãnh thổ Mỹ. Hệ DGPS của họ được gọi là USCG DGPS. Cơ quan quản trị hàng không Liên bang (Federal Aviation Administration - FAA) cũng đâu có kém. Họ muốn có một mạng lưới DGPS bao trùm toàn bộ lục địa, và cả thế giới nếu có thể. FAA đưa ra một kế hoạch đầy tham vọng gọi là "Wide Area Augmentation System" hay "WAAS," và nó chính là một hệ DGPS xuyên lục địa.
Ý tưởng này được phát triển từ một vài yêu cầu về tính toàn vẹn của hệ thống hay "system integrity". Dù rằng GPS là một hệ thống có độ tin cậy cao nhưng thỉnh thoảng một vệ tinh bị trục trặc có thể phát đi những thông tin không chính xác. Các trạm điều hành mặt đất theo dõi các vệ tinh và truyền một thông điệp hệ thống thông báo với các máy thu hãy làm lơ tín hiệu từ vệ tinh hỏng cho đến khi có thông báo mới. Bất hạnh thay quá trình này có thể kéo dài vài phút và có thể là quá trễ đối với nhưng chiếc máy bay đang hạ cánh.
Vì thế FAA có một ý tưởng rằng họ có thể gầy dựng một hệ thống riêng của mình có khả năng đáp ứng nhanh hơn trong những tình huống khẩn cấp như thế. Không phải "nghìn cân treo sợi tóc' mà là "nghìn nghìn cân treo không khí".
Vì thế FAA có một ý tưởng rằng họ có thể gầy dựng một hệ thống riêng của mình có khả năng đáp ứng nhanh hơn. Không những thế, định vị chính xác và tức thời còn giúp cho FAA thu hẹp hành lang bay mà vần bảo đảm an toàn, tránh được các sự cố đâm nhau của máy bay (tuy vậy có gắn lên xe ở xứ mình thì cũng đâm nhau như thường). FAA còn mơ tới việc hoàn thiện các thiết bị cất cánh và hạ cánh cho chính xác hơn, thậm chí thay thế các hệ thống dẫn đường không lưu hiện hữu nữa. Nhưng mà, làm sao ? FAA cho rằng họ có thể phóng lên vài vệ tinh địa tĩnh lơ lửng trên đầu ở đâu đó với nhiệm vụ truyền thông tin cho các máy bay tức thì nếu có sự cố. Dĩ nhiên là nếu thông tin được truyền trên cùng tần số GPS thì máy thu GPS trên máy bay có thể thu mà không cần phải sắm thêm một máy thu riêng. Điều này nghe chừng có lý vì FAA cũng đã đồng ý.
Chờ tí, nếu bạn đã có một vệ tinh địa tĩnh, sao không bắt nó cung cấp các thông tin định vị luôn thể. Nếu được vậy thì số lượng vệ tinh trong tầm nhìn cũng tăng lên. Nghe cũng có lý, FAA cũng đồng ý luôn.
Gượm đã nào, thế còn hệ số hiệu chỉnh thì sao ? Bắt vệ tinh địa tĩnh làm việc như một trạm chuyển tiếp phát hệ số hiệu chỉnh nghe cũng hay, dằng nào cũng phóng vệ tinh rồi, thêm tí tiền có gì mà ngại, vậy là FAA nghe tớ xúi dại. Chơi luôn. (Nổ tí thôi, chứ họ làm điều này từ lâu rùi, trước khi gps để dành đủ tiền mua máy thu).
Bạn GIS chờ tí nhé, để tớ nói xong WAAS rồi thì tớ sẽ so sánh luôn USCG và WAAS một lèo nhé

(tiếp theo và hết về WAAS)
FAA dự trù cần khoảng 24 trạm nằm rải rác trên khắp nước Mỹ là đủ để thu thập thông tin trên toàn lãnh thổ. Nhưng trước hết, phải bắt đầu từ các trạm gần các phi trường chính trươc, vậy là ?oLocal Area Augmentation Systems" ra đời.
Với LAAS aircraft có thể dùng GPS để hạ cánh trong điều kiện tầm nhìn bằng zero (hổng biết FAA nói thiệt hay nói chơi).
Tuy nhiên, có một số hạn chế bạn cũng nên biết. Đầu tiên là WAAS chưa xây dựng xong, vệ tinh chưa phóng đủ số. WAAS được thiết kế cho hàng không có sử dụng vệ tinh địa tĩnh, mà chắc các bạn cũng biết, quĩ đạo vệ tinh địa tĩnh phải nằm trên mặt phẳng xích đạo, vì vậy nếu máy thu ở gần 2 cực thì khó ?onhìn thấy? các vệ tinh này. Cũng như GPS, sóng từ vệ tinh địa tĩnh cũng bị núi non, nhà cửa, vv che khuất.
Được gps sửa chữa / chuyển vào 15:55 ngày 09/01/2003

DGPS ở Việt Nam
Cao Bằng khánh thành trạm thu phát sóng vệ tinh GPS cố định
Tổng cục Địa chính và tỉnh Cao Bằng vừa đưa vào sử dụng trạm thu phát sóng vệ tinh GPS cố định tại phường Sông Hiến, thị xã Cao Bằng. Trạm GPS tại Cao Bằng hoạt động sẽ tăng hiệu quả hoạt động kỹ thuật đo đạc và thăm dò đối với các tỉnh biên giới phía Bắc và vùng lân cận (đo đạc thành lập bản đồ địa hình, địa chính, thăm dò các tài nguyên thiên nhiên địa chất, thuỷ văn, điều tra quy hoạch... và các hoạt động chuyên môn khác). Trước mắt, trạm GPS sẽ phục vụ cho công tác phân giới cắm mốc biên giới đất liền Việt Nam - Trung Quốc. (Theo Đầu Tư)
Nguồn: http://www.i-today.com.vn/pls/itoday/Cate$.htnoidung(2003,40607)
Các bạn cắt dán cái link này vào trình duyệt nhé, không hiểu tái sao nó bị đứt làm hai
Được gps sửa chữa / chuyển vào 10:36 ngày 09/01/2003

Hỏi và đáp về WAAS và USCG
Q: How is WAAS correction different from the Coast Guard?Ts maritime beacon system correction?
A: Beacon DGPS and WAAS DGPS operate on the same theory. Basically, the correction is provided when a monitoring station calculates the difference between where it knows it is and the place the GPS indicates it is. In beacon DGPS, this correction is broadcast on low frequencies from the Coast Guard beacon station itself. In WAAS DGPS, the correction is sent from the master stations to the satellites for broadcast on the same high frequency as the GPS signal.
Q: What difference does it make if the DGPS correction is broadcast from a beacon tower or from a satellite?
A: The low frequency signals broadcast from the ground-based beacon stations are more susceptible to radio frequency and weather interference, and they have a limited range. The WAAS signal, since it is high frequency and satellite-based, is less susceptible to this kind of interference and will provide 3 meter Lat/Lon position accuracy over a large contiguous geographic area.
GPS

Tớ cũng nghĩ là họ có thuật toán để làm trơn, ví dụ: 5 bước chân của cậu gộp lại làm 1 bước chân dài.
Tuy nhiên thuật toán như vậy không thể nào áp dụng automatic được. Vì bản đồ địa lý không chỉ thể hiện thu nhỏ bề trái đất đơn thuần, mà phải có sự lựa chọn cái gì nên được thể hiện, cái gì không nên đưa lên bản đồ. Cái này chỉ có con người mới quyết định được chứ áp dụng thuật toán thuần tuý chắc cũng sẽ có nhiều rắc rối.
Tớ lấy ví dụ: Nếu cậu đi lên miền núi, đèo dốc quanh co, nguy hiểm, nhưng theo thuật toán áp dụng phù hợp với tỷ lệ thành lập bản đồ, cậu sẽ có một đường thẳng veo. Cùng một tỷ lệ như vậy, nhưng nếu là bản đồ khí hậu thì việc này chẳng ảnh hưởng gì, nhưng nếu là bản đồ giao thông vận tải, thì điều này có ảnh hưởng khác hẳn. Lúc đấy mặc dù người ta không vẽ được hết các đèo dốc, nhưng người ta vẫn phải thể hiện một ít để người sử dụng bản đồ biết đường đó khó đi, đường đèo dốc...
Ngoài ra, những vị trí liên quan đến lịch sử, hay những vị trí quan trọng, có ý nghĩa, hay nhiều người biết đến... theo thuật toán có thể không được thể hiện, nhưng trên bản đồ không thể bỏ đi, hoặc làm thay đổi dáng thực của nó được.

Thế là tớ rõ rồi, bây giờ thì đang tự cười mình vì hôm nọ gặp Prof. Prof hỏi là USCG là gì? mình dám luyên thuyên vì đoán là hệ thống gì đó liên quan đến US, Cartography, Geology. Đúng là không biết lại còn đoán già đoán non.

Post lại cái hình này để các bạn thấy ảnh hưởng của thuật toán. Đường màu xanh lá là đường đi thực tế do máy thu GPS ghi lại. Đường nây nhạt là đường đã được "làm trơn" từ bản đồ trong máy thu. Nguồn gốc của bản đồ này từ "The Digital Chart of the World - DCW" của đại học Penn State University. Bạn có thể download miễn phí tại đây:
http://www.maproom.psu.edu/dcw/
GPS
Lat 10027'09.7"
Lon 107013'00.3"
Được gps sửa chữa / chuyển vào 08:52 ngày 10/01/2003