Cách hoạt động của GPS

Giới thiệu

Loạt blog này dành cho những người muốn hiểu cách cải thiện độ chính xác vị trí của dữ liệu thực địa của họ nhưng không chắc chắn về cách hoạt động của GPS và các dịch vụ hiệu chỉnh.

Blog dưới đây giới thiệu một số nguyên tắc cơ bản của GPS — GPS và GNSS là gì, cách chúng hoạt động và các loại lỗi có thể ảnh hưởng đến GPS và dẫn đến giảm độ chính xác.

Các bài đăng blog tiếp theo sẽ đi sâu vào một số chi tiết về hiệu chỉnh GPS là gì và cách chúng có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của GPS, các loại dịch vụ hiệu chỉnh khác nhau, ưu và nhược điểm của các phương pháp khác nhau và phương pháp nào phù hợp nhất cho dữ liệu trường bạn đang nắm bắt và môi trường bạn đang làm việc.

Hệ thống Định vị Toàn cầu GPS

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ phát triển như một nguồn tài nguyên định vị trên toàn thế giới cho mục đích quân sự và dân sự. Ban đầu, nó dựa trên một hệ thống, hoặc chòm sao, gồm 24 vệ tinh quay quanh trái đất hoạt động như các điểm tham chiếu mà từ đó các máy thu GPS trên mặt đất có thể sử dụng để tính toán vị trí của chúng. Ngày nay GPS được tham gia bởi các chòm sao vệ tinh khác bao gồm GLONASS, Galileo và BeiDou, mở rộng đáng kể số lượng vệ tinh định vị trên quỹ đạo. Gọi chung những chòm sao này được gọi là GNSS – Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu. Đối với phần còn lại của loạt bài blog này, chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ GNSS thay cho GPS vì tất cả các máy thu Trimble hiện đại đều có khả năng theo dõi nhiều chòm sao.

Máy thu GNSS hoạt động bằng cách lắng nghe một loạt các thông điệp được mã hóa đặc biệt do mỗi vệ tinh truyền đi; một máy thu GNSS trên mặt đất có thể tính toán thời gian mất bao lâu để tín hiệu được truyền từ vệ tinh đến ăng-ten của chính nó. Sau đó, để tính khoảng cách từ ăng-ten đến vệ tinh, máy thu nhân thời gian di chuyển đó với tốc độ ánh sáng. Máy thu GNSS có thể thực hiện phép tính này với nhiều vệ tinh đồng thời. Nếu máy thu GNSS nhận được tin nhắn từ ít nhất bốn vệ tinh, thì nó có thể xác định vị trí của nó ở bất kỳ đâu trên bề mặt trái đất.

Máy thu GNSS hoạt động bằng cách tính toán khoảng cách giữa ăng-ten máy thu và vệ tinh. Bằng cách theo dõi tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh, bộ thu có thể tính toán vị trí của nó ở bất kỳ đâu trên Trái đất

Điều gì gây ra lỗi trong vị trí GNSS?

Máy thu GNSS cần nhận tin nhắn hoặc theo dõi từ ít nhất bốn vệ tinh khác nhau để tính toán vị trí, nhưng vị trí này sẽ không hoàn toàn chính xác. Có nhiều nguồn sai số khác nhau có thể làm giảm độ chính xác của vị trí được tính toán.

Bước đầu tiên trong việc cải thiện độ chính xác của vị trí và giảm sai số là đảm bảo bộ thu có thể theo dõi càng nhiều vệ tinh GNSS càng tốt. Theo dõi bốn vệ tinh là mức tối thiểu, nhưng mỗi vệ tinh bổ sung mà máy thu có thể theo dõi cung cấp nhiều thông báo hơn có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác của vị trí được tính toán. Theo dõi nhiều vệ tinh hơn cũng cho phép người nhận ưu tiên sử dụng tin nhắn từ vệ tinh có chất lượng cao nhất hoặc ít bị ảnh hưởng nhất bởi lỗi, cải thiện hơn nữa độ chính xác của vị trí được tính toán. Khi làm việc với GNSS, điều quan trọng là cố gắng duy trì một tầm nhìn rõ ràng về bầu trời để máy thu có cơ hội tốt nhất để theo dõi càng nhiều vệ tinh càng tốt.

Không phải lúc nào bạn cũng có thể duy trì tầm nhìn rõ ràng của bầu trời khi chụp dữ liệu tại hiện trường, đặc biệt là khi làm việc trong môi trường có cây cối và tòa nhà. Nếu bạn thấy mình ở trong một môi trường hoàn toàn không thể nhìn thấy bầu trời, chẳng hạn như đường hầm, bạn có thể cần phải tìm một giải pháp định vị khác!
Có bốn nguồn lỗi chính có thể ảnh hưởng đến vị trí do người nhận tính toán:

1. Bộ thu và lỗi ăng ten
2. Lỗi vệ tinh
3. Lỗi khí quyển
4. Lỗi đa đường

1. Lỗi máy thu

Máy thu và ăng-ten có thể đưa sai số của chính chúng vào tính toán vị trí. Nhiễu điện từ từ các thành phần khác trên bộ thu GNSS (như modem hoặc màn hình) có thể làm giảm chất lượng của các tin nhắn trước khi chúng được ăng-ten nhận, trong khi chất lượng của bộ thu GNSS và một ăng-ten lớn hơn sẽ có tác động tích cực đến độ chính xác của vị trí. Đây là lý do tại sao bộ thu Trimble GNSS có thể tính toán vị trí chính xác hơn điện thoại thông minh.

2. Lỗi vệ tinh

Thời gian khi một thông điệp được phát đi từ vệ tinh là rất quan trọng đối với GNSS, và vì vậy vệ tinh GNSS được trang bị đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Thật không may, những chiếc đồng hồ này không hoàn hảo và sự thiếu chính xác nhỏ trong thời gian của tin nhắn phát đi từ vệ tinh có thể dẫn đến sai số về vị trí được tính toán tại máy thu. Ngoài ra, vị trí của vệ tinh trong không gian cũng quan trọng, nhưng vệ tinh có thể hơi lệch ra khỏi quỹ đạo dự đoán của chúng. Điều này có thể gây ra lỗi trong máy thu khi nó tính toán khoảng cách giữa ăng-ten và vệ tinh.

3. Lỗi khí quyển

Các vệ tinh GNSS truyền thông điệp của chúng bằng sóng vô tuyến, và vì các tín hiệu vô tuyến trong bầu khí quyển của trái đất không phải lúc nào cũng hoạt động có thể đoán trước được, đây là một nguồn lỗi khác. Máy thu đưa ra giả định rằng tín hiệu vô tuyến truyền với tốc độ ánh sáng và tốc độ ánh sáng là một hằng số, nhưng điều này chỉ đúng trong chân không.

Trong thế giới thực, ánh sáng chậm lại, tùy thuộc vào những gì nó truyền qua. Khi một tín hiệu GNSS truyền đến bề mặt trái đất, nó sẽ bị trễ một chút, và vì việc tính toán khoảng cách giả định tín hiệu di chuyển với tốc độ không đổi, sự chậm trễ này dẫn đến tính toán sai khoảng cách của vệ tinh, do đó tạo ra lỗi. ở vị trí.

Máy thu Trimble sử dụng hệ số hiệu chỉnh cho chuyến đi của tín hiệu qua bầu khí quyển, nhưng với số lượng biến, không có hệ số hiệu chỉnh hoặc mô hình khí quyển nào có thể bù đắp chính xác cho độ trễ thực sự xảy ra.

4. Lỗi đa đường

Khi tín hiệu đến bề mặt trái đất, nó có thể phản xạ lại các vật cản như các tòa nhà và cây cối, trước khi đến ăng-ten. Tín hiệu đến ăng-ten bằng ‘nhiều đường dẫn’, đó là lý do tại sao loại lỗi này được gọi là lỗi đa đường. Ăng-ten nhận tín hiệu trực tiếp trước vì đường đi trực tiếp luôn nhanh nhất, và sau đó các tín hiệu phản xạ đến sau, gây nhiễu tín hiệu trực tiếp và cho kết quả ‘nhiễu’. Ăng-ten Trimble được thiết kế để giảm nhiễu đa đường nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn.

Loại bỏ lỗi với GNSS Corrections

Một máy thu GNSS cần tín hiệu từ ít nhất bốn vệ tinh để thiết lập vị trí của nó và mỗi tín hiệu này có một tập hợp lỗi riêng như đã mô tả ở trên. Đồng hồ vệ tinh có thể không chính xác hoặc các vệ tinh có thể không nằm trong quỹ đạo dự đoán của chúng. Khi các tín hiệu truyền xuống bầu khí quyển, chúng bị lệch và bị trễ vì bầu khí quyển của trái đất không phải là chân không. Các tín hiệu bị trả lại xung quanh khi chúng gặp các vật cản cục bộ (tạo ra lỗi đa đường) trước khi cuối cùng đến người nhận

May mắn thay, các vệ tinh ở rất xa trong không gian mà khoảng cách trên trái đất là rất nhỏ so với việc so sánh. Nếu nhiều máy thu GNSS cách nhau vài trăm km, các tín hiệu đến được chúng sẽ đi qua hầu như cùng một vùng khí quyển và sẽ có độ trễ gần như giống nhau. Điều này có nghĩa là máy thu thường sẽ bị ảnh hưởng bởi các lỗi giống nhau, không bao gồm lỗi đa đường và lỗi máy thu. Vì vậy, một bên nhận có thể đo các lỗi và cung cấp các sửa chữa cho các lỗi này cho bên kia. Quá trình loại bỏ lỗi này được gọi là hiệu chỉnh GNSS.

Trong blog tiếp theo, chúng tôi sẽ đề cập đến cách hoạt động của các hiệu chỉnh GNSS và các loại dịch vụ sửa GNSS khác nhau hiện có.