Tín hiệu của các hệ thống định vịHình 1.9 Tần số của các hệ thống ĐVTC 34 1.4 Các loại máy thu GPS Có thể phân ra hai loại máy thu GPS: máy thu một tần số và máy thu hai tần số.. Hình 1.
Trang 1- Bình sai + biên tập 7 bảng lưới khống chế địa
chính đo bằng công nghệ GPS (5 người / nhóm)
Trang 41.2 Mô tả hệ thống GPS
1.2.1 Đoạn không gian
- 24 vệ tinh chia thành 6 quỹ đạo
- Mỗi mặt phẳng quỹ đạo tạo với mặt xích
đạo một góc 55o
- Mỗi vòng bay hết 11 giờ 58 phút
- Vệ tinh phát tín hiệu được mã hoá và thông
tin đạo hàng, được điều biến trên hai sóng tải
- Vệ tinh có kích thước chừng 5m, trọng
lượng 1÷2 tấn, được trang bị 2 đồng hồ nguyên tử
loại rubidium và 2 đồng hồ nguyên tử loại celium
Tuổi thọ vệ tinh là 7,5 năm
cess
Suc- ure
Fail-In aration
prep- ned
Trang 513 Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/
Trang 616 Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/
Trang 7Hình 1.2e Vệ tinh GPS Block III
21 Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/
Trang 8Hình 1.4: Mô hình thu tín hiệu vệ tinh GPS
Trang 91.2.2 Đoạn điều khiển
Trang 101.2.3 Đoạn sử dụng
- Cách sử dụng máy thu tín hiệu GPS
- Các phương pháp đo GPS
- Các ứng dụng GPS
Hình 1.7 Quan hệ giữa các đoạn trong GPS 28
1.3 CƠ SỞ CỦA KỸ THUẬT ĐO GPS
1.3.1 Cấu trúc tín hiệu GPS
- Đồng hồ nguyên tử celium trên vệ tinh tạo
tần số chuẩn fo=10,23Mhz với sai số 10-12/ngày
- Sóng tải L1 được tạo ra bằng bội số 154
Có 3 loại mã trên sóng tải là mã C/A, mã P
và Thông tin đạo hàng
- Mã C/A thường được hiểu là mã thông dụng
gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được lặp lại sau mỗi
phần triệu giây, tương đương chiều dài bước sóng
300m Mã C/A chỉ được truyền có trên sóng tải L1
- Mã P - mã chính xác là chuỗi rất dài kí tự 0 và
1, được lặp lại sau 01 tuần lễ, chiều dài bước sóng
là 29,30m Nó được truyền trên cả hai sóng tải
- Tuy nhiên, Bộ Quốc phòng Mỹ đã sử dụng mã
W để che phủ lên mã P tạo nên mã Y Chỉ có Quân
đội Mỹ và đồng minh mới được tiếp cận mã P
30
Trang 11- Thông tin đạo hàng là chuỗi số liệu được
bổ sung trên hai sóng tải và điều biến lưỡng pha
với tốc độ chậm 50bit /giây và lặp lại sau 30 giây
Thông tin đạo hàng chứa toạ độ vệ tinh theo
thời gian, tình trạng sức khoẻ của vệ tinh, các trị
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, số liệu almanac của vệ
tinh, số liệu khí tượng
Mỗi vệ tinh truyền thông tin đạo hàng của
riêng mình cùng với các thông tin trên các vệ tinh
khác như là toạ độ gần đúng, tình trạng sức khoẻ
Trang 12Tín hiệu của các hệ thống định vị
Hình 1.9 Tần số của các hệ thống ĐVTC
34
1.4 Các loại máy thu GPS
Có thể phân ra hai loại máy thu GPS: máy
thu một tần số và máy thu hai tần số
Máy thu một tần chỉ nhận được tín hiệu sóng
tải L1 Máy thu 1 tần cũng có các cấu hình khác
nhau và do đó chức năng cũng khác nhau, thông
dụng hơn cả là loại máy thu 1 tần thu được cả
code lẫn pha sóng tải
Máy thu 2 tần nhận được tín hiệu trên cả
sóng tải L1 và L2 Tuy mã P bị che phủ, nhưng
máy thu hai tần hiện nay có thể khôi phục được
đầy đủ sóng tải L2 ở mức độ yếu hơn
35
Máy thu GPS có thể có số lượng kênh khác
nhau, từ 1 đến 12 kênh Máy GPS tốt là máy nhiều
kênh, trong đó mỗi kênh liên tục nhận tín hiệu từ
một vệ tinh Hiện nay các máy thu chủ yếu có từ 9
đến 12 kênh
Việc lựa chọn máy thu GPS còn phụ thuộc
các yếu tố khác như giá cả, dễ sử dụng, mức tiêu
hao năng lượng, kích thước và trọng lượng, khả
năng chứa số liệu trong và ngoại vi, khả năng
tương tác và mức độ giảm thiểu ảnh hưởng khúc
xạ đa đường dẫn
36
Trang 13Loại máy thu 1 tần giá rẻ, chủ yếu được sử
dụng để đo đạc địa chính hay thành lập bản đồ
Nó cho phép đo chính xác trong khoảng cách
ngắn, chừng 20 km trở lại
Loại máy thu 2 tần số hạn chế được ảnh
hưởng này, nó cho phép đo khoảng cách tới các
điểm xa tuỳ ý Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ
chính xác cao như nghiên cứu chuyển động hiện
đại, máy thu 2 tần số nhiên được ưu tiên lựa chọn
Ăng ten cũng là một bộ phận không thể
thiếu của thiết bị đo GPS Để giảm ảnh hưởng của
sai số khúc xạ đa đường dẫn (multipath), cần lựa
chọn loại ăng ten giảm thiểu được ảnh hưởng này
* Trimble Access field software
designed for Military use
* Field tested, ruggedized Survey System build to Military standards
* Compatible with conventional (optical) equipment and construction machine control systems
* Power Trimble Business Center office software used for processing and adjustment of both GPS and conventional data
* Support both Military and Trimble data radios
•Select from the Zephyr-2 GNSS antenna
or the Zephyr-2 GNSS Geodetic antenna
•Partner with Trimble Access and the TSC3 controller
•Supports the GPS Modernization
signals L2C, L5 and GLONASS
•3 levels of OmniSTAR positioning – OmniSTAR HP, OmniSTAR XP and OmniSTAR VBS
•Tracks both GPS and GLONASS Satellites Nguồn: http://www.trimble.com/Survey/trimbler7gnss.aspx
Trang 14•unications protocol gives you the most reliable positioning performance
Nguồn: http://www.trimble.com/Survey/trimbler8gnss.aspx
41
Nguồn: https://www.youtube.com/watch?v=48Rs8zD_VF0&feature=youtu.be
Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble
Một số loại máy thu GPS của hãng Leica
42
Leica AS10
* For single reference stations, RTK and monitoring networks, the Leica AS10 SmartTrack antenna provides solid performance at an attractive price point.
* This compact antenna with built-in groundplane supports the GPS, GLONASS, Galileo, Compass and SBAS signals and combines perfectly with the Leica GR10, GR25 and GMX902 receivers for a wide range
of precision applications.
Nguồn: http://www.leica-geosystems.com/en/Leica-AS10_5549.htm
Trang 15Một số loại máy thu GPS của hãng Leica
43
Leica GS15
From completely integrated to totally modular, the Leica Viva GS15 offers you the flexibility to choose which wireless communication device best meets your needs now and in the future These devices are supported by intenna technology
- a fully-integrated antenna concept
This smart antenna adjusts to any environment and delivers the most accurate results.
Nguồn: http://www.leica-geosystems.com/en/Leica-Viva-GS15_105543.htm
Một số loại máy thu GPS của hãng Leica
44 Nguồn: http://www.leica-geosystems.com/en/Leica-Viva-GS12_86598.htm
Leica Viva GS12
•Built on years of knowledge and experience, the Leica GS12 delivers the hallmarks of Leica GNSS – reliability and accuracy
Leica SmartCheck – RTK processing to guarantee correct results
data-•Leica SmartTrack – best measurement data quality in all environments
•Leica SmartRTK – delivers consistent results in all networks
Một số loại máy thu GPS của hãng Ashtech
Trang 16Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon
46
HiPer Pro 2004
- 226 Channel Vanguard Technology TM with Universal Tracking Channels
- 32GB SDHC storage support
Trang 17Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon
HiPer SR Reciever
- Signals: GPS (L1, L2, L2C), Glonass (L1, L2, L2C), QZSS-SBAS (L1, L2C)
- 226 Channel Vanguard Technology TM with Universal Tracking Channels
Nguồn: http://www.topcon.co.jp/en/positioning/products/pdf/HiPerSR_E.pdf
Một số loại máy thu GPS của hãng South
50
GALAXY G1
●Innovative structure design
●Powerful new bluetooth mod ule
●Tilt survey
●Electronic bubble correct
●Full satellite constellations su pport
●Intelligent and open platform
operating system Mobile devices
●Super capacity of battery built-in, typically 10 hours
continuous work
●10cm×10cm×3.5cm dimension, lightweight and
Trang 18Một số loại máy thu GPS của hãng CHC
52
X20+ / X20i GPS
Flexible and Competitive Cutting edge Static GPS L1 survey technology in a cost effective package Easy to Use - 'Single Button' operation for static operation Easy data Download - High-speed USB data download insures desktop compatibility.
Compact and Rugged Small, lightweight and cable free for easy field operation
High performance GNSS RTK positioning covering wide range of applications Landstar or Carlson’s SurvCE Field data collection software scale to your survey need
Integrated Bluetooth, GPRS and radio modem Innovative and rugged design built for harsh environment
Fast Data Download via high speed USB Compact and Rugged - Integrated rugged design for everyday intensive use
Nguồn: http://www.chcnav.com/index.php/Home/
article/detailPage/parentID/1462/cat_id/1463/artID/845
Trang 191.5 Các hệ thời gian
Hệ giờ thế giới UT (Universal Time) liên quan
tới chuyển động quay của Trái đất quanh trục của
nó mà dạng cơ bản là giờ UT1 (về giá trị bằng
GMT)
Hệ giờ động lực được lập để mô tả chuyển
động của vật thể trong một khung quy chiếu cụ
thể và phù hợp với lý thuyết trọng lực Hệ giờ
động lực Trái đất TDT (Terestrial Dynamic Time)
dùng để tính quỹ đạo vệ tinh bay quanh Trái đất
trong trường trọng lực của Trái đất
55
Hệ giờ nguyên tử quốc tế TAI (International
Atomic Time) được hình thành trên cơ sở phân tích
thời gian nguyên tử của nhiều trung tâm trên thế
giới và là hệ thời gian cơ bản trên Trái đất Đơn vị
cơ bản của TAI là giây
Hệ thời gian phối hợp quốc tế UTC (Universal
Time Coordinated), có cùng vận tốc như TAI
nhưng được hiệu chỉnh tăng thêm cái gọi là bước
nhảy 1 giây Vì TAI là thang thời gian liên tục nên
xảy ra một vấn đề cơ bản cho người sử dụng, liên
quan tới hiện tượng quay chậm dần 1 giây/ 1 năm
của Trái đất xung quanh Mặt trời
56
Hệ thời gian GPS - GPST đã được liên kết với
UTC vào 0h ngày 6/1/1980
Ngoài ra tồn tại quan hệ:
TAI = TDT – 32.184s
TAI = GPST + 19 giây
GPST = UTC + n (giây) (Năm 2015: n = 17)
UTC = UT1 + dUT1
Nếu |dUT1| > 0,7s UTC sẽ được tăng 1s
Trong đó IERS có trách nhiệm theo dõi sự thay đổi
này
57
Trang 20Một hệ toạ độ được định nghĩa bởi một tập
hợp các quy tắc nhằm xác định toạ độ của các
điểm Nó bao gồm các thông số định nghĩa gốc toạ
độ và định hướng các trục Ta phân biệt: hệ toạ độ
một chiều (1D), hệ toạ độ hai chiều (2D) và hệ toạ
độ ba chiều (3D) và sử dụng chúng vào các mục
đích và đối tượng khác nhau Ta cũng phân biệt các
hệ toạ độ theo mặt quy chiếu, gốc toạ độ hay góc
định hướng trục toạ độ
Đối với hệ toạ độ 3D, ta chú ý tới hệ toạ độ
vuông góc không gian (x, y, z) và hệ toạ độ địa lý
1.6 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG CÔNG NGHỆ GPS
60
Trang 21a, Hệ toạ độ vuông góc không gian(x, y,
z) được giới thiệu trên Hình 1.12, ở đây cả ba trục
cắt nhau tại gốc toạ độ C
Hình 1.11 Hệ toạ độ không gian ba chiều (x, y, z)
61
b, Hệ toạ độ địa lýnhận mặt quy chiếu là
mặt ellipsoid tròn xoay, gốc toạ độ và các trục của
nó được xác định bằng hai mặt phẳng: mặt phẳng
kinh tuyến đi qua trục quay Trái đất (trục z) và mặt
phẳng xích đạo của ellipsoid đã chọn
Hệ toạ độ địa lý có vai trò đặc biệt đối với các
ứng dụng công nghệ GPS Trong hệ toạ độ này, vị
trí điểm được xác định bởi tập hợp 3 thành phần:
độ vĩ (), độ kinh () và độ cao trên mặt ellipsoid
(H) Ta có các công cụ hữu hiệu để tính chuyển toạ
độ trắc địa (, , H) sang toạ độ không gian ba
chiều (x, y, z)
62
c, Hệ quán tính qui ước
(Conventional Inertial System- CIS)
Được sử dụng trong Trắc địa vệ tinh là hệ toạ
độ 3D (X,Y,Z)
- có gốc trùng trọng tâm Trái đất,
- trục Z ứng với vị trí trục quay Trái đất tại
thời điểm quy ước (hiện nay là 0h ngày 15/01/2000
theo giờ trọng tâm động lực (BDT) kí hiệu là J-2000
- trục X hướng từ tâm Trái đất đến điểm Xuân
phân tại thời điểm quy ước này, sau khi đã hiệu
chỉnh tuế sai và chương động
- trục Y được xác định theo trục Z và X tạo
tam diện phải
63
Trang 22c, Hệ quán tính qui ước (CIS)
tinh trên quỹ đạo
Điểm xuân phân là
hoàng đạo với xích đạo
trái đất
Hình 1.12 Các điểm cơ bản trên mặt phẳng hoàng đạo 64
1.6.2 Hệ trái đất qui ước
(Conventional Terrestrial System-CTS)
– Gốc hệ trùng với trọng tâm Trái đất
- Trục Z đi qua cực quay qui ước của Trái đất
(CTP) là vị trí trung bình của trục quay Trái đất
trong khoảng thời gian 1900÷1905
- Trục X là giao tuyến của mặt phẳng xích đạo
trung bình và mặt phẳng kinh tuyến Greenwich
trung bình
- Trục Y hợp với trục X, Z để tạo nên hệ toạ
độ thuận chiều phải
65
1.6.3 Khung quy chiếu Trái đất quốc tế
(International Terrestrial Reference Frame-ITRF)
Từ giữa 1980, các nhà khoa học đã dùng GPS
để đo chuyển động của lớp vỏ trái đất và mong
muốn định nghĩa hệ tọa độ chính xác hơn
Năm 1991 tổ chức IGS thành lập để hỗ trợ các
hoạt động định vị vệ tinh
Năm 1994 tổ chức này lập mạng lưới gồm 40
trạm đo cốt lõi khắp thế giới
Định nghĩa khung tham khảo mới ITRF Mỗi
năm các kết quả quan trắc mới được xử lý để cho
một hệ qui chiếu mới ITRFxxxx (xxxx ký hiệu năm)
66
Trang 231.6.3 Khung quy chiếu Trái đất quốc tế
ITRF được nhận biết thông qua tọa độ X0ở
thời điểm t0và vận tốc V các trạm đo IGS Tọa độ
vào thời điểm bất kỳ t được tính:
X(t) = X0+ V(t – t0)
t thường được tính theo đơn vị năm
Hệ WGS84 đồng nhất với ITRF1991 vào
- Gốc toạ độ trùng với tâm hệ Trái đất (bao
gồm cả đại dương và khí quyển) với độ chính xác
1m,
- Định hướng các trục (định hướng của đường
xích đạo ellipsoid và đường kinh tuyến gốc) trùng
với đường xích đạo và đường kinh tuyến gốc của Uỷ
ban giờ quốc tế tại thời điểm 1984.0
68
- Từ 1984.0 định hướng các trục và của
ellipsoid được thay đổi sao cho chuyển động trung
bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0
Điều này bảo đảm trục Z của hệ quy chiếu WGS84
trùng với Cực quay quy chiếu quốc tế và kinh tuyến
gốc của ellipsoid trùng với kinh tuyến quy chiếu
quốc tế
- Hình dạng và kích thước của ellipsoid WGS84
được xác định bởi cặp tham số bán kính lớn và độ
dẹt
- Giá trị vận tốc góc quay chuẩn của Trái đất
và hằng số trọng lực trái đất được nhận theo các
giá trị quy ước
69
Trang 24Một số lưu ý:
- Ellipsoid WGS 84 được xác định theo nghĩa
thích hợp nhất với Geoid trên quy mô toàn cầu
- Các trục của hệ toạ độ WGS 84 được thay
đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng
kiến tạo so với ellipsoid bằng 0 và do đó các đường
kinh tuyến và vĩ tuyến của nó không cố định đối với
một quốc gia cụ thể
- Khách hàng GPS khai thác thông điệp đạo
hàng quảng bá sẽ tính được toạ độ của mình trong
hệ WGS 84 Khi sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác
từ Tổ chức IGS, ta sẽ nhận được toạ độ trong ITRF
70
- Hiện nay Việt Nam cũng sử dụng ellipsoid
WGS 84, được định vị cho thích hợp với lãnh thổ
của mình trên cỡ 25 điểm đo GPS khá chính xác
kèm theo đo thuỷ chuẩn chính xác trong hệ độ cao
Hòn Dấu, nên gọi là hệ quy chiếu riêng Đối với hệ
quy chiếu địa phương kiểu này, tâm ellipsoid không
trùng với tâm Trái đất và thậm chí trục của nó cũng
không song song với các trục tương ứng của hệ
WGS 84 Việt Nam xây dụng hệ quy chiếu riêng gọi
là VN2000 Mỗi điểm trong số 25 điểm trên có sai số
định vị cỡ 1÷3m trong hệ WGS 84
71
1.6.5 Tính chuyển giữa các hệ toạ độ
Trước kỷ nguyên GPS, hệ toạ độ mặt phẳng
và hệ toạ độ độ cao tách riêng độc lập nhau, ngoài
ra hệ toạ độ mặt bằng không phải là địa tâm vì
ellipsoid được định vị cho thích hợp nhất với lãnh
thổ từng quốc gia Cho nên, ta thường gọi chúng là
hệ toạ độ địa phương
Muốn chuyển từ hệ toạ độ địa phương sang
hệ toạ độ toàn cầu WGS 84 (và ngược lại) cần biết
9 tham số tính chuyển, bao gồm hai tham số mô tả
kích thước hình dáng của ellipsoid (a và f) và 7
tham số tính chuyển toạ độ không gian là 3 giá trị
độ lệch gốc toạ độ, 3 giá trị góc quay Euler của trục
Trang 25Hình 1.13 Hệ toạ độ địa tâm và Hệ toạ độ địa phương
73
1.6.6 Các hệ độ cao
Độ cao của một điểm được định nghĩa là
khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt quy chiếu độ
cao tới điểm đó Mặt Geoid thường được chọn là
mặt quy chiếu độ cao Độ cao của một điểm so với
mặt Geoid được gọi là độ cao chính; nó có thể
dương (ở trên) hay âm (ở dưới Geoid) Loại độ cao
này có ý nghĩa vật lý rõ ràng nên thường được sử
dụng trong thực tiễn, vẽ nên mặt địa hình mặt đất
Trong công nghệ GPS, độ cao điểm đo lại
được quy chiếu về mặt ellipsoid, nên được gọi là độ
cao trên mặt ellipsoid Loại độ cao này không có ý
nghĩa vật lý như độ cao chính, nên các thiết bị đo
đạc khác, chẳng hạn toàn đạc không thể đo được.74
Hình 1.14 Các hệ độ cao
N: Khoảng cách giữa geoid và ellipsoid được
gọi là độ cao geoid hoặc sóng geoid hay dị thường
độ cao
Mối quan hệ giữa độ cao trắc địa và độ cao
thủy chuẩn: H = h + N
75
Trang 261.7 Các đại lượng đo trong GPS
1.7.1 Trị đo giả khoảng cách
Giả khoảng cách là số đo khoảng cách từ vệ
tinh GPS tới ăng ten máy thu Khoảng cách giả
được đo bằng mã
Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được
mô hình hoá như sau:
Trang 271.7.2 Trị đo pha sóng tải
Trị đo pha là hiệu số giữa pha sóng tải nhận
từ vệ tinh qua ăng ten máy thu và pha sóng tạo ra
trong máy thu nhờ bộ tạo dao động
Có thể đo được khoảng cách từ vệ tinh tới
máy thu bằng pha sóng tải Khoảng cách này sẽ
bằng tích của hai thừa số, một là độ dài bước sóng
tải và thừa số thứ hai là pha
Máy thu có thể đo được phần lẻ của bước
sóng một cách rất chính xác (dưới 2mm) Nhưng
không đo được số nguyên lần bước sóng Nên nó
được coi là ẩn số hay còn gọi số nguyên đa trị N
79
Trị đo giả khoảng cách theo pha được biểu
diễn bằng mô hình toán sau:
tọa độ điểm đo, 1 ẩn số nguyên đa trị N và một ẩn
số là sai số đồng hồ máy thu Do đó để định vị được
bằng pha máy thu phải thu được tối thiểu 5 trị đo
pha từ mỗi vệ tinh
81
Trang 281.8 Sự gián đoạn tín hiệu (Cycle slips)
Một gián đoạn tín hiệu - hay còn được gọi là
trượt chu kỳ là một bước nhảy bất ngờ của số
nguyên bước sóng trong trị đo pha, nguyên do là
mất khả năng khoá tạm thời của vòng khép pha
trong máy thu GPS do phần cứng máy thu có vấn
đề hay do tác động khác bình thường của tầng
điện ly, cũng có thể do các vật cản che chắn
không cho tín hiệu từ máy thu đến với ăng ten
Hình 1.8 minh hoạ một trượt chu kỳ Thời gian
mất khoá này có thể rất ngắn, chỉ vài giây, nhưng
cũng có khi kéo dài tới mấy phút, thậm chí đến