Báo cáo nghiên cứu khoa học: "BÀN VỀ VẤN ĐỀ THỜI GIAN THU TÍN HIỆU GPS TRONG XÂY DỰNG MẠNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CẠNH NGẮN" ppt

BÙI THỊ KIÊN TRINH Trường đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Ứng dụng công GPS trong xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa đã thực sự mang lại hiệu quả kinh tế do không còn phụ thuộc nhiều vào

BÀN VỀ VẤN ĐỀ THỜI GIAN THU TÍN HIỆU GPS TRONG XÂY DỰNG MẠNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA CẠNH NGẮN

KS ĐOÀN VĂN CHINH

Đại học Whuhan, Trung Quốc

KS NGÔ XUÂN THẾ

Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng

ThS BÙI THỊ KIÊN TRINH

Trường đại học Thủy Lợi

Tóm tắt: Ứng dụng công GPS trong xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa đã thực sự mang lại

hiệu quả kinh tế do không còn phụ thuộc nhiều vào mùa, thời tiết, đồng thời giảm đáng kể nhân lực Tuy nhiên, xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa GPS cạnh ngắn hiện nay ở nước ta còn có những quy định chưa được phù hợp về thời gian thu tín hiệu tại hiện trường [5] Trên cơ sở phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm chúng tôi thấy đối với mạng lưới có chiều dài cạnh khoảng 200-300m, thời gian thu tín hiệu của một ca đo (Occupation Time) chỉ khoảng 10-15 phút là có thể đảm bảo độ chính xác yêu cầu Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong thực tiễn sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế khi áp dụng công nghệ GPS xây dựng mạng lưới khống chế như đường chuyền 1, đường chuyền 2 và đặc biệt là khi xây dựng mạng lưới khống chế trên các khu vực quy hoạch độc lập

có quy mô khoảng vài trăm hecta

1 Phân tích lý thuyết xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa bằng công nghệ GPS

Thực tế tại các cơ sở sản xuất ở nước ta hiện nay hầu hết sử dụng máy GPS thu tín hiệu của hệ GPS NAVSTAR Hệ NAVSTAR bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên 6 quỹ đạo [2], mỗi vệ tinh đều liên tục gửi đi 1 tín hiệu riêng biệt trên 2 tần số sóng tải Sóng tải được truyền trên băng tần sóng siêu

âm L, trong đó sóng L1 và L2 có tần số tương ứng là 1575.42MHz và 1227.60MHz Những tần số này được tạo ra từ tần số cơ bản f0 = 10.23MHz Băng tần L1 có tần số f1 = 154  f0 còn băng tần L2 có tần

số f2 = 120  f0 Để máy thu xác định vị trí mặt đất tức thời của điểm trạm máy, cần thiết phải tìm phương pháp đo chính xác thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu Điều này có thể đạt được bằng việc trộn mã PRN-(Pseudorandom noise) vào sóng tải Hai đoạn mã PRN khác nhau được phát

đi từ mỗi vệ tinh Tín hiệu L1 chứa mã chính xác P-code pha trộn với mã thô C/A-code Còn tín hiệu

L2 chỉ chứa mã chính xác P-code Mã C/A có tần số 1.023MHz và chiều dài bước sóng cỡ 300m Còn

mã P có tần số 10.23MHz và chiều dài bước sóng khoảng 30m, cung cấp độ chính xác định vị cao gấp

10 lần mã C/A[4]

Nguyên lý định vị bằng GPS có thể hiểu đơn giản là bài toán giao hội cạnh không gian, có nghĩa

là để xác định được tọa độ không gian của điểm quan sát cần đo khoảng cách từ điểm quan sát đến các vệ tinh Có 2 phương pháp cơ bản trong đo khoảng cách đến vệ tinh là đo chuỗi tín hiệu mã và đo hiệu pha sóng tải

Phương pháp đo chuỗi tín hiệu mã thường áp dụng trong định vị tuyệt đối đơn điểm Hiện nay độ chính xác định vị tuyệt đối đơn điểm này có thể đạt được 1-2cm nếu thời gian đo kéo dài liên tục hơn 10h và sử dụng các phần mềm tính toán độ chính xác cao như GAMIT, BERNESE, TRIP[1] Thông thường độ chính xác này chỉ đạt được 1-3m, chính vì vậy không thể áp dụng cho công tác xây dựng lưới khống chế trắc địa

Phương pháp đo hiệu pha sóng tải thường áp dụng trong định vị sai phân và định vị tương đối Hiện nay, độ chính xác của định vị GPS tương đối về mặt bằng đạt được 3mm đến 5mm [1],[2],[3] Với công tác xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa thường áp dụng phương pháp định vị GPS tương đối Nội dung bài báo chỉ đề cập đến phương pháp đo hiệu pha sóng tải và định vị GPS tương đối

1.1 Đo hiệu pha sóng tải

Phương pháp đo hiệu pha sóng tải của tín hiệu GPS đạt được độ chính xác cao khi đo khoảng cách tới vệ tinh Phương pháp này áp dụng trong đo GPS hậu xử lý (Post processing), bằng việc so sánh hiệu pha của tín hiệu phát đi từ vệ tinh và tín hiệu thu được từ máy thu GPS trên mặt đất Mô hình toán học của đo hiệu pha sóng tải được mô tả như sau:

  t 1   t Nj f  j  t i  t 

i j

i j





Trong đó:

t là một đoạn tín hiệu riêng biệt; j  t

i

 là hiệu pha sóng tải đo được giữa vệ tinh j và máy thu i; f là tần số tín hiệu thông điệp phát từ vệ tinh; j(t) là sai số đồng hồ của vệ tinh j;  là chiều dài bước sóng của tín hiệu; j  t

i

 là khoảng cách hình học giữa máy thu i và vệ tinh j; Nijlà số nguyên đa trị của tín hiệu từ vệ tinh j đến máy thu i; i(t) là sai số đồng hồ máy thu

1.2 Định vị GPS tương đối

Định vị tương đối là việc sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu đồng thời thu tín hiệu GPS xác định hiệu pha sóng tải để tính các cạnh GPS (GPS Baseline) Việc quan trắc đồng thời đảm bảo rằng các máy thu nhận được tín hiệu trong cùng một khoảng thời gian đo (Occupation Time) của mỗi SESION và cùng 1 thời đoạn (time interval) của mỗi EPOCH Thời gian đo và thời đoạn đo rất quan trọng trong định vị GPS tuyệt đối, hai yếu tố này quyết định trị đo thừa trong khi tính toán của lời giải cạnh GPS Chọn thời gian đo và thời đoạn đo phụ thuộc mục đích của công tác đo đạc và độ chính xác yêu cầu

và đặc biệt phụ thuộc vào từng loại máy thu GPS Đối với các thế hệ máy GPS mới thời đoạn đo có thể đặt là 1-2-5-10-15-30 giây Số liệu quan trắc đồng thời giữa các vệ tinh thông qua xử lý sai phân

để tính các cạnh GPS sẽ giảm ảnh hưởng của một số loại sai số Hình 1 mô tả các kỹ thuật sai phân trong đo GPS

a Sai phân bậc 1

Trong hình 1(a), sai phân bậc 1 chính là dùng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm cùng quan trắc 1 vệ tinh Sự chênh lệch giữa 2 trị đo triệt tiêu sai số đồng hồ vệ tinh và sự khúc xạ ở tầng đối lưu cũng như tầng điện ly khỏi lời giải cạnh GPS Nó cũng có thể triệt tiêu ảnh hưởng của nhiễu SA nếu vẫn được kích hoạt Theo công thức (1), các công thức tính hiệu pha ở 2 điểm A và B sẽ là:

  t f   t 1   t N f   t

t f N t

1 t f t

B j j B j

B j

j j

B

A j j A j

A j

j j

A





































Sai phân bậc 1 sẽ hiệu của 2 phương trình trên, cụ thể là:

  t 1 ABj   t NABj fj AB  t

j





 (2) trong công thức sai phân bậc 1, các thành phần hiệu số riêng rẽ là:

  t Bj  t Aj  t

j

AB    

 ; ABj   t  Bj  t  Aj  t ; NjAB NjB NAj; ABj   t  Bj  t  jA  t

Dễ dàng nhận thấy trong công thức sai phân bậc 1, sai số khóa vệ tinh fjj(t) đã bị triệt tiêu

b Sai phân bậc 2

(a) Sai phân bậc 1 (b) Sai phân bậc 2 (c) Sai phân bậc 3

Hình 1 Các kỹ thuật sai phân trong đo GPS

Trong hình 1(b), dùng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm A và B cùng quan trắc 2 vệ tinh Sai phân bậc 2

là việc tính chênh lệch của 2 sai phân bậc 1 thu được từ 2 vệ tinh j và k Theo công thức (2) Giả thiết có

2 sai phân bậc 1:

  t 1   t N f   t

t f N t

1 t

k AB k k AB k

AB k

AB

j AB j j AB j

AB j

AB





























Vì sai số đồng hồ vệ tinh sẽ là như nhau trên cả 2 vệ tinh j cũng như k Nếu lấy hiệu số của 2 sai phân bậc 1 này sẽ có công thức sai phân bậc 2, trong đó sai số của khóa vệ tinh sẽ triệt tiêu lẫn nhau:

    jk

AB jk

AB jk

AB t 1  t  N





 (3) Trong đó các đại lượng hiệu số là:

ABjk   t  kAB  t  ABj   t ; jkAB  t  kAB  t  ABj   t ; NjkAB NkAB NjAB

Trong sai phân bậc 2 đã triệt tiêu được sai số đồng hồ máy thu

c Sai phân bậc 3

Trong hình 1(c), Sai phân bậc 3 là việc lấy hiệu số giữa 2 sai phân bậc 2 ứng với 2 thời đoạn đo khác nhau Theo công thức (3), có hai công thức sai phân bậc 2 như sau:

AB 21

jk AB 2

jk

AB

jk AB 1

jk AB 1

jk

AB

N t

1 t

N t

1 t





















Hiệu của 2 sai phân bậc 2 chính là công thức tính sai phân bậc 3:   jk  12

AB 12

jk





 (4) Trong công thức (4), 2 hiệu số là:

    jk  1

AB 2 jk AB 12

jk

AB t   t   t

    jk  1

AB 2 jk AB 12

jk

AB t   t   t



Tầm quan trọng của việc sử dụng sai phân bậc 3 trong lời giải là loại trừ được số nguyên đa trị, và lời giải có thể lọc được hiện tượng gián đoạn tín hiệu

Số vệ tinh GPS NAVSATR xuất hiện trên bầu trời đối với 1 máy thu thường trên 4 vệ tinh, tùy vào loại máy thu GPS có số kênh khác nhau sẽ thu được số lượng vệ tinh khác nhau Nhưng thông thường với máy thu 1 tần số cao điểm vẫn có thể thu tín hiệu của 12 vệ tinh Với việc lựa chọn loại máy thu GPS có thể đặt thời đoạn đo (time interval) rất nhỏ (1 giây) kết hợp với việc dùng phần mềm Sky Plot để tính toán SESION đo chúng ta sẽ lựa chọn được thời điểm thích hợp trong ngày để việc tổ hợp các cặp vệ tinh trong tính toán sai phân là nhiều nhất Điều này hoàn toàn có thể giảm bớt thời gian đo của mỗi SESION (Occupation Time), đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác của lời giải cạnh GPS

2 Một số kết quả thực nghiệm

2.1 Mô tả thực nghiệm

Khu vực thực nghiệm được chúng tôi tiến hành trong khi thực hiện khảo sát địa hình công trình

“quy hoạch khu đô thị sinh thái thị trấn Kẻ Sặt” tại thị trấn Kẻ Sặt, huyện Bình Giang, tỉnh Hải Dương Máy móc tiến hành thực nghiệm 05 máy GPS Trimble XT của hãng sản xuất máy định vị vệ tinh GPS

Trimble Navigation – Mỹ, 05 thước dây chuyên dụng, 05 máy đo độ ẩm áp suất điện tử Thời đoạn đo (time interval) thống nhất là 10 giây trong các ca đo Trước khi tiến hành đo đạc đã lập lịch vệ tinh đảm bảo PDOP<6, GDOP<6 Phần mềm xử lý số liệu cạnh GPS (GPS Beseline) và bình sai GPS là GPSurvey 2.35a của hãng GPS Trimble Navigation – Mỹ

Đồ hình đo thực nghiệm (Chiều dài cạnh dài nhất 370m, ngắn nhất 120m, trung bình 250m)

Hình 2 Đồ thị đo thực nghiệm GPS 2.2 Kết quả tính toán cạnh GPS (Baseline) và các chỉ tiêu sai số

Sử dụng module WAVE trong bộ phần mềm GPSuvey 2.35 để tiến hành tính toán xử lý các cạnh (BASELINE) trong mạng lưới GPS, kết quả trong bảng 1

Bảng 1 Kết quả và các chỉ tiêu độ chính xác cạnh GPS (BASELINE)

TT Điểm

đầu

Thời gian thu tín hiệu thực địa 60 phút

1 GPS06 GPS07 160.653 28.734 45.864 169.524 11.3 4.809 0.001

2 GPS06 GPS08 195.782 -24.019 205.369 284.752 12.3 4.762 0.001

3 GPS06 GPS09 335.918 38.233 147.785 368.976 8.4 6.825 0.001

4 GPS06 GPS10 273.893 67.729 30.136 283.748 10.1 6.085 0.001

5 GPS07 GPS08 35.13 -52.754 159.503 171.634 10.6 6.715 0.001

6 GPS07 GPS09 175.266 9.498 101.92 202.968 9.4 6.979 0.001

7 GPS07 GPS10 113.241 38.993 -15.729 120.795 10.2 7.075 0.001

-140.137

-62.25 57.585 163.797 8.5 9.663 0.001

9 GPS10 GPS08 -78.112 -91.743 175.236 212.664 12 7.783 0.001

10 GPS10 GPS09 62.025 -29.496 117.65 136.230 14.4 5.412 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 45 phút

-160.653

-28.734 -45.864 169.524 10.9 4.791 0.001

2 GPS07 GPS08 35.129 -52.754 159.505 171.636 7.6 6.483 0.001

-195.781

24.02 -205.368 284.751 11.7 4.79 0.001

-335.918

-38.234 -147.785 368.976 7.9 6.912 0.001

-175.265

-9.499 -101.922 202.968 7.2 7.04 0.001

-140.136

-62.252 57.582 163.796 4.5 12.819 0.001

7 GPS09 GPS10 -62.027 29.496 -117.649 136.230 8.8 5.916 0.001

-273.892

-67.729 -30.136 283.747 9.5 5.934 0.001

-113.239

-38.995 15.727 120.793 8.7 6.764 0.001

10 GPS10 GPS08 -78.111 -91.747 175.233 212.663 6.1 7.026 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 30 phút

-160.653

-28.732 -45.863 169.524 5.1 5.146 0.001

-195.782

24.023 -205.367 284.751 4.5 4.045 0.001

3 GPS08 GPS07 -35.129 52.755 -159.504 171.635 2.8 6.76 0.001

4 GPS08 GPS09 140.134 62.256 -57.579 163.795 1.7 15.34 0.001

5 GPS08 GPS10 78.111 91.748 -175.232 212.662 2.4 7.528 0.001

-335.917

-38.235 -147.787 368.976 3.2 7.881 0.001

-175.264

-9.503 -101.924 202.969 2.9 8.317 0.001

8 GPS09 GPS10 -62.025 29.492 -117.65 136.229 4.4 5.728 0.001

-273.892

-67.726 -30.136 283.746 5.4 5.041 0.001

-113.239

-38.994 15.727 120.793 3.9 7.098 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 15 phút

-160.651

-28.742 -45.865 169.524 5.5 3.62 0.001

2 GPS08 GPS06 -195.78 24.008 -205.372 284.752 3.3 6.215 0.001

3 GPS08 GPS07 -35.128 52.75 -159.507 171.636 3.7 5.609 0.001

5 GPS08 GPS10 78.11 91.744 -175.235 212.663 3.8 5.891 0.001

6 GPS09 GPS06 -335.92 -38.23 -147.781 368.976 4.5 4.595 0.001

-175.268

-9.488 -101.916 202.967 5.2 3.92 0.001

8 GPS09 GPS10 -62.03 29.507 -117.644 136.230 4.1 5.412 0.001

-273.889

-67.737 -30.137 283.746 3.2 7.019 0.001

-113.238

-38.995 15.728 120.792 3.6 6.3 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 10 phút

1 GPS06 GPS07 160.652 28.744 45.866 169.526 4.7 3.462 0.001

2 GPS06 GPS08 195.78 -23.999 205.376 284.754 1.8 5.871 0.001

3 GPS06 GPS09 335.922 38.229 147.78 368.977 3.8 3.873 0.001

4 GPS06 GPS10 273.891 67.744 30.14 283.750 2.3 5.876 0.002

5 GPS07 GPS08 35.128 -52.743 159.511 171.638 1.7 6.229 0.001

6 GPS07 GPS09 175.27 9.485 101.915 202.968 4.5 3.631 0.001

7 GPS07 GPS10 113.241 38.999 -15.727 120.796 2 7.223 0.002

-140.142

-62.228 57.596 163.797 2.1 4.741 0.001

9 GPS10 GPS08 -78.113 -91.742 175.237 212.665 2.2 7.013 0.002

10 GPS10 GPS09 62.03 -29.514 117.641 136.228 2.4 6.075 0.001

2.3 Tọa độ và độ cao sau bình sai

Sử dụng module TrimnetPlus trong bộ phần mềm GPSuvey 2.35a để tiến hành bình sai lưới GPS Điểm khởi tính thống nhất giữa các ca đo (GPS06), thành quả tọa độ sau bình sai trong hệ tọa độ phẳng UTM, L0=106000’00 K0=0.9999, độ cao các điểm so với mực nước Biển Hòn dấu – Đồ Sơn Hải Phòng, kết quả trong bảng 2

Bảng 2 Kết quả tính sai lệch và độ lệch chuẩn tọa độ, độ cao giữa các ca đo

Thời gian thu tín hiệu thực địa 60 phút

2 GPS07 2313581.061 515867.785 2.905 0.000 0.000 0.001

3 GPS08 2313751.617 515848.555 3.393 0.000 0.000 0.001

4 GPS09 2313690.253 515696.690 2.277 0.000 0.000 0.001

5 GPS10 2313564.130 515748.181 2.854 0.000 0.000 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 45 phút

2 GPS07 2313581.061 515867.784 2.904 0.000 0.000 0.001

3 GPS08 2313751.616 515848.556 3.391 0.000 0.000 0.001

4 GPS09 2313690.254 515696.690 2.279 0.000 0.000 0.001

5 GPS10 2313564.131 515748.182 2.855 0.000 0.000 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 30 phút

2 GPS07 2313581.061 515867.784 2.902 0.000 0.000 0.001

3 GPS08 2313751.617 515848.556 3.388 0.000 0.000 0.001

4 GPS09 2313690.255 515696.691 2.280 0.000 0.000 0.001

5 GPS10 2313564.132 515748.183 2.852 0.000 0.000 0.001 Thời gian thu tín hiệu thực địa 15 phút

2 GPS07 2313581.059 515867.783 2.912 0.000 0.000 0.000

3 GPS08 2313751.615 515848.554 3.403 0.000 0.000 0.000

4 GPS09 2313690.251 515696.689 2.274 0.000 0.000 0.000

5 GPS10 2313564.129 515748.183 2.863 0.000 0.000 0.000 Thời gian thu tín hiệu thực địa 10 phút

2 GPS07 2313581.059 515867.782 2.914 0.000 0.000 0.000

3 GPS08 2313751.616 515848.552 3.413 0.000 0.000 0.000

4 GPS09 2313690.251 515696.687 2.272 0.000 0.000 0.000

5 GPS10 2313564.129 515748.178 2.869 0.000 0.000 0.000

2.4 Phân tích kết quả

Căn cứ vào tọa độ và độ cao sau bình sai trong bảng 2, sử dụng phần mềm Excel trong bộ phần mềm Microsorft office để tiến hành tính toán, thống kê sai số và độ lệch chuẩn (Standard deviation – STDEV) tọa độ và độ cao giữa các ca đo, kết quả trong bảng 3

Bảng 3 So sánh sai lệch, độ lệch chuẩn tọa độ và độ cao giữa các ca đo

GPS09 -0.002 -0.001 -0.003 GPS09 0.003 0.003 0.007

3 Kết luận

Căn cứ vào phân tích cơ sở lý thuyết, các chỉ tiêu sai số tính toán thực nghiệm thống kê trong bảng 1, bảng 2 và kết quả so sánh sai lệch vị trí tọa độ thống kê trong bảng 3, có thể nhận xét với mạng lưới GPS cạnh ngắn (200-300m) nếu lựa chọn được thời đoạn đo (time interval) hợp lý, đồ hình

vệ tinh tốt (PDOP, RDOP) thì thời gian đo của 1 ca (Occupation Time) chỉ cần 10-15 phút vẫn hoàn toàn bảo đảm độ chính xác xây dựng lưới so với quy phạm hiện hành [2] Kết quả nghiên cứu có thể

áp dụng vào thực tiễn sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế và rút ngắn thời gian thi công công trình, đặc biệt

có hiệu quả đối với công tác xây dựng mạng lưới đo vẽ địa chính khi yếu độ chính xác về độ cao không yêu cầu khắt khe và các công trình khảo sát quy hoạch độc lập với quy mô vài trăm hecta khi

lưới khống chế độ cao đã dùng phương pháp đo thủy chuẩn

Tài liệu tham khảo

1 李征航, 张小红 卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法, 武汉大学出版社, 2009

2 李征航, 黄劲松 GPS测量与数据处理, 武汉大学出版社, 2005

3 黄声享, 郭英起等 GPS在测量工程中的应用，测绘出版社, 2007

4 PAUL R WOLF, CHARLES D GHILANI Elementary Surveying An Introduction to Geomatics, Eleventh

Edition., 2006

5 Tổng cục Địa chính Quy phạm thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và

1:10000 (08/2008/QĐ-BTNMT), 2008

Ngày nhận bài: 17/11/2010