Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng kỹ thuật GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính (thử nghiệm trên địa bàn thành phố Hải Phòng

Những năm gần đây hệ thống định vị toàn cầu GPS Global Positioning System ngày càng phát triển hoàn thiện và sử dụng rộng rãi, hiệu quả với độ chính xác cao đã được ứng dụng rộng rãi tro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Văn Muôn

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG XỬ LÝ SAU TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH (THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG)

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Văn Muôn

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG XỬ LÝ SAU

TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH (THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG)

Chuyên ngành: Địa chính

Mã số: 60.44.80

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Trần Quốc Bình

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 8

1.1 Sự hình thành của hệ thống GPS 8

1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS 9

1.2.1 Đoạn không gian 10

1.2.2 Đoạn điều khiển 13

1.2.3 Đoạn sử dụng 14

1.3 Các phương pháp đo GPS 16

1.3.1 Đo GPS tuyệt đối 16

1.3.2 Đo GPS tương đối 16

1.4 Tình hình ứng dụng GPS trong thu thập dữ liệu không gian 21

1.4.1 Tình hình ứng dụng GPS trên thế giới 21

1.4.2 Tình hình ứng dụng GPS ở Việt Nam 22

Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG XỬ LÝ SAU 24

2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp đo pha GPS 24

2.1.1 Mô hình toán học của phương pháp đo pha 24

2.1.2 Các trị đo pha phân sai 26

2.2 Kỹ thuật đo GPS động xử lý sau 28

2.2.1 Nguyên tắc đo đạc 28

2.2.2 Quy trình đo GPS động xử lý sau 29

2.2.3 Các nguồn sai số trong GPS đo động xử lý sau 36

2.3 Khả năng ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính 40

2.3.1 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật GPS đo động xử lý sau 40

2.3.2 Đánh giá về khả năng ứng dụng của GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính 42

Chương 3 THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG GPS ĐO ĐỘNG XỬ LÝ SAU TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG 44

3.1 Khái quát về địa bàn nghiên cứu 44

3.1.1 Vị trí địa lý 44

3.1.2 Đặc điểm địa hình, địa vật 45

3.1.3 Tình hình đo đạc địa chính và lập hồ sơ địa chính 46

3.2 Điều kiện thử nghiệm 47

3.3 Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu cho GPS đo động xử lý sau 53

3.3.1 Ảnh hưởng của tham số đo tới kết quả GPS đo động xử lý sau 53

3.3.2 Thử nghiệm lựa chọn tham số đo tối ưu 54

3.3.3 Đề xuất phương thức lựa chọn tham số đo tối ưu 57

3.4 Thử nghiệm ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong thành lập lưới khống chế đo vẽ 58

3.4.1 Yêu cầu kỹ thuật của lưới khống chế đo vẽ và khả năng đáp ứng của kỹ thuật GPS đo động xử lý sau 58

3.4.2 Thử nghiệm GPS đo động xử lý sau với 1 trạm Base 59

3.4.3 Thử nghiệm GPS đo động xử lý sau với 2 trạm Base 67 3.5 Thử nghiệm ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo vẽ chi tiết

nội dung bản đồ 73 3.6 Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động xử

lý sau trong đo đạc địa chính 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS 10

Hình 1.2 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 10

Hình 1.3 Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất 11

Hình 1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS 13

Hình 1.5 Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 14

Hình 1.6 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble 15

Hình 1.7 Máy thu 4600LS và hệ thống Radio Link Trimtalk 900 18

Hình 2.1 Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng do máy thu phát ra 24

Hình 2.2 Sơ đồ tính các trị đo pha phân sai 26

Hình 2.3 Một phần bản đồ địa chính xã Đông Hòa Hiệp, huyện Cái Bè, tỉnh Tiền Giang hiển thị trên nền ảnh Google Earth 42

Hình 3.1 Vị trí thành phố Hải Phòng 44

Hình 3.2 Các khu vực đã đo vẽ bản đồ địa chính 47

Hình 3.3 Khu đo thực nghiệm tại phường Hải Thành, quận Dương Kinh, Hải Phòng 50

Hình 3.4 Khu đo thực nghiệm tại xã Hoàng Châu, huyện Cát Hải, Hải Phòng 53

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sai số của tọa độ của trạm Rover đối với thời gian đo 57

Hình 3.6 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base B1 60

Hình 3.7 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base 118519 61

Hình 3.8 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base Đồ Sơn 62

Hình 3.9 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base 118511 64

Hình 3.10 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base 118528 66

Hình 3.11 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base (tổng hợp 31 điểm đo) 66

Hình 3.12 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 2 trạm Base B1 và 118519 68

Hình 3.13 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 2 trạm Base B1 và Đồ Sơn 69

Hình 3.14 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 2 trạm Base 118511 và 118528 71

Hình 3.15 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 2 trạm Base (tổng hợp 17 điểm đo) 71

Hình 3.16 Sơ đồ phân bố các điểm đo trong các khu thử nghiệm 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS 21

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS có khả năng đo động 30

Bảng 2.2 Các chỉ số ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh DOP 38

Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả đo đạc lập bản đồ địa chính đến tháng 10/2012 46

Bảng 3.2 Khái quát về các khu đo thử nghiệm 49

Bảng 3.3 Bảng tọa độ các điểm trạm Base 51

Bảng 3.4 Bảng tọa độ các điểm trạm Rover 51

Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm tại khu đo phường Hải Thành 55

Bảng 3.6 Kết quả thử nghiệm tại khu đo xã Hoàng Châu 56

Bảng 3.7 Yêu cầu về sai số vị trí điểm khống chế đo vẽ 59

Bảng 3.8 Bảng kết quả đo PPK khu đo phường Hải Thành sử dụng 1 trạm Base B1 60

Bảng 3.9 Bảng kết quả đo PPK khu đo phường Hải Thành sử dụng 1 trạm Base III 118519 61

Bảng 3.10 Bảng kết quả đo PPK khu đo phường Hải Thành sử dụng 1 trạm Base Đồ Sơn 62

Bảng 3.11 Bảng kết quả đo PPK khu đo xã Hoàng Châu sử dụng 1 trạm Base 118511 63

Bảng 3.12 Bảng kết quả đo PPK khu đo xã Hoàng Châu sử dụng 1 trạm Base 118528 65

Bảng 3.13 Bảng kết quả đo PPK khu đo phường Hải Thành sử dụng 2 trạm Base B1 và 118519 68

Bảng 3.14 Bảng kết quả đo PPK khu đo phường Hải Thành sử dụng 2 trạm Base B1 và Đồ Sơn 69

Bảng 3.15 Bảng kết quả đo PPK khu đo xã Hoàng Châu sử dụng 2 trạm Base 118511 và 118528 70

Bảng 3.16 Số liệu đo chi tiết bằng kỹ thuật GPS đo động xử lý sau 74

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

GPS: Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System)

PDOP: Độ suy giảm độ chính xác vị trí điểm (Posittion Dilution of Precision) RDOP: Độ suy giảm độ chính xác tương đối (Relative Dilution of Precision) RTK: Đo động thời gian thực (Real Time Kinematic)

PPK: Đo động xử lý sau (Post Processing Kinematic)

UBND: Ủy ban nhân dân

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên, tài sản quốc gia quý báu, là địa bàn để phân bố dân cư và các hoạt động kinh tế, xã hội quốc phòng, an ninh; là nguồn vốn, nguồn nội lực để xây dựng và phát triển bền vững quốc gia Để phục vụ tốt công tác quản

lý nhà nước về đất đai cần phải có bản đồ địa chính và cơ sở dữ liệu về đất đai

Hiện nay, công tác thành lập bản đồ địa chính và bản đồ địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp toàn đạc điện tử Đây là phương pháp có độ chính xác tốt, cho phép đo vẽ ở mức độ chi tiết cao nhất, tuy nhiên có yếu điểm là phải dựa trên mạng lưới đo vẽ dày đặc và phải đảm bảo thông hướng giữa các trạm đo dẫn đến năng suất lao động rất hạn chế trong những khu vực có địa hình dày đặc Những năm gần đây

hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) ngày càng phát triển hoàn thiện và sử dụng rộng rãi, hiệu quả với độ chính xác cao đã được ứng dụng rộng rãi trong

đo đạc bản đồ bởi các tính ưu việt như: có thể xác định tọa độ của các điểm từ các điểm gốc mà không cần thông hướng, việc đo đạc nhanh, đạt độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa phương và được ghi dưới dạng file số nên dễ dàng nhập vào các phần mềm đo vẽ bản

đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu Tuy nhiên, ứng dụng chính của GPS trong đo đạc địa chính vẫn là phương pháp đo tĩnh dùng để thành lập lưới khống chế tọa độ Vì vậy, việc nghiên cứu các kỹ thuật đo GPS động (có năng suất lao động cao hơn nhiều so với đo tĩnh) trong đo đạc địa chính là rất cần thiết để có cơ sở khoa học triển khai ứng dụng phổ biến ở nước ta

Xuất phát từ lý do này, tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên

cứu giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng kỹ thuật GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính (thử nghiệm trên địa bàn thành phố Hải Phòng)”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá khả năng ứng dụng, từ đó đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả GPS đo động xử lý sau bằng các máy thu 1 tần số trong đo đạc địa chính trên cơ sở kết quả thử nghiệm tại một số khu vực của thành phố Hải Phòng

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS và kỹ thuật GPS đo động xử lý sau

- Đánh giá khả năng áp dụng GPS đo động xử lý sau bằng các máy thu GPS 1 tần

số trong đo đạc địa chính

- Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả đo đạc địa chính bằng kỹ thuật GPS

đo động xử lý sau: lựa chọn tham số đo tối ưu, thành lập lưới khống chế đo vẽ bằng GPS

đo động xử lý sau, kết hợp GPS đo động xử lý sau với phương pháp toàn đạc điện tử trên

cơ sở thử nghiệm thực tế trên địa bàn thành phố Hải Phòng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: tìm hiểu cơ sở khoa học về công nghệ GPS, ứng dụng chúng trong đo đạc lập bản đồ địa chính

- Phương pháp so sánh: sử dụng số liệu đo đạc bằng GPS so sánh với số liệu toàn đạc và số liệu gốc để đánh giá độ chính xác và kết quả thử nghiệm

- Phương pháp trắc địa vệ tinh: cung cấp dữ liệu về toạ độ, vị trí các đối tượng bằng GPS

- Phương pháp thống kê: sử dụng để tìm ra quy luật của các hiện tượng

5 Kết quả đạt được

- Đánh giá về khả năng ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính

- Đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính

6 Ý nghĩa của đề tài:

a) Ý nghĩa khoa học

Ý nghĩa khoa học của đề tài là làm rõ được ảnh hưởng của tham số đo tới kết quả

đo GPS động xử lý sau, và khả năng ứng dụng phương pháp đo GPS động xử lý sau trong

đo đạc địa chính Từ đó đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính

b) Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả của đề tài tạo ra cơ sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất đưa phương pháp GPS đo động xử lý sau vào công tác phát triển lưới khống chế đo vẽ, đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn hoặc đo đạc công trình

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn có cấu trúc gồm 03 chương:

Chương 1 Tổng quan về công nghệ GPS

Chương 2 Cơ sở khoa học của kỹ thuật GPS đo động xử lý sau

Chương 3 Thử nghiệm thực tế và đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính trên địa bàn thành phố Hải Phòng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS

1.1 Sự hình thành của hệ thống GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT

Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m Do vậy, trong công tác trắc địa - bản đồ hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Nó không thỏa mãn được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công bước đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao một cách đáng kể so với TRANSIT và nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục

Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS khối I Từ năm 1978 dến 1985 có 11 vệ tinh khối I đã được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc khối I đã hết hạn sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (khối II) bắt đầu vào năm 1989 Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 12 giờ 58 phút, ở độ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200 km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) được thiết kế thay cho những vệ tinh khối II, cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo

Gần như đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) Hiện nay Liên

minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên GALILEO, hiện

đã có một số vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và hệ thống dự kiến được đưa vào sử dụng năm 2014 Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh Ngoài ra còn một số hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi trên thế giới

Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng, năm 1983 người ta đã xây dựng mạng lưới trắc địa ở Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lưới khác cũng được xây dựng ở Montgomery County, Pennsylvania (Mỹ), Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1991-1992 chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lưới tọa độ nhà nước hạng II ở những vùng khó khăn chưa có lưới khống chế (Minh Hải, Tây Nguyên, ) Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển, kết nối đất liền với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung Trong những năm 1995-1997 chúng ta đã xây dựng mạng lưới GPS cấp “0”, trên cơ sở

đó thành lập hệ quy chiếu Quốc gia mới (VN-2000) cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30.000 điểm) [7]

Hiện nay, hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), đươc ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu quả

1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS

GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment):

- Đoạn không gian (Space Segment);

- Đoạn điều khiển (Control Segment);

- Đoạn sử dụng (User Segment)

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS

1.2.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất Quỹ đạo của vệ tinh gần nhƣ hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26.600 km Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc đƣợc ít nhất 4

vệ tinh GPS - điều kiện tối thiểu để có thể định vị đƣợc trong không gian 3 chiều

Hình 1.2 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS

Hình 1.3 Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất

Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS

Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:

- 2 sóng tải (hay sóng mang - carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2;

- Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code);

- Thông báo định vị (navigation message)

Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f0 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh

Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị

Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này đƣợc tính từ tần số cơ bản nhƣ sau:

Mhz42.1575

154 0

Mhz60.1227

1

L

L f

c

Các mã giả ngẫu nhiên đƣợc sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu Các mã này đƣợc gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống nhƣ một mã ngẫu nhiên, nhƣng trong thực tế đƣợc phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có

thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36 Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một mã giả ngẫu nhiên Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1] Có

2 loại mã giả ngẫu nhiên là:

- C/A-code (viết tắt của từ "clear/access code" hay "coarse/acquisition code"), được phát đi ở tần số 1.023MHz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại) Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1

- P-code (viết tắt của từ "private code" hay "precise code"), được phát đi ở tần số 10.23MHz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày Số 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh Như vậy, P-code của mỗi

vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải là L1 và L2 Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code được mã hóa thành Y-code và người dùng dân

sự không sử dụng được

- Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về:

+ Lịch vệ tinh;

+ Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ của vệ tinh;

+ Trạng thái (hay sức khỏe) của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa, );

+ Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly

Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị Các thông báo định vị được phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A-code Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [8]

Hình 1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS [1]

1.2.2 Đoạn điều khiển (Control segment)

Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Đông Thái Bình Dương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất

Các trạm điều khiển theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được Các

số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm (MCS – master control station), tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng

Như vậy, vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các

vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS

Hình 1.5 Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005

Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa không gian Mỹ (NGA: National Geospatial-Intelligence Agency) đã được thêm vào phần điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 (hình 1.5) Với số lượng trạm điều khiển như vậy, mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được thấy ít nhất từ 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được tối thiểu 3 trạm điều khiển [1]

1.2.3 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh

để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng, kể cả ở trên không, trên biển và trên đất liền

Đoạn sử dụng bao gồm các thành phần sau:

- Phần cứng: thu tín hiệu và thực hiện đo đạc;

- Phần mềm: các thuật toán định vị, giao diện người sử dụng,

- Các thao tác, thủ tục

Trạm điều khiển cũ

Trạm điều khiển mới

Các thiết bị của phần sử dụng rất đa dạng bởi chúng phục vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau của GPS Các thiết bị này thường được phân loại theo loại trị đo mà chúng có thể thực hiện được, đó là:

+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích dân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code ở tần số L1

+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích quân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code và P-code ở cả 2 tần số L1 và L2

+ Các máy đo pha một tần số (L1);

+ Các máy đo pha 2 tần số L1 và L2

Trong số 4 loại máy trên thì 2 loại sau được sử dụng trong đo đạc địa chính vì chúng cho độ chính xác rất cao, tới vài millimét

Hình 1.6 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble

1.3 Các phương pháp đo GPS

1.3.1 Đo GPS tuyệt đối

Là phương pháp xác định tọa độ của các điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong

hệ tọa độ toàn cầu WGS-84 Phương pháp định vị này là việc tính tọa độ của các điểm nhờ việc giải bài toán giao hội cạnh trong không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ của các vệ tinh tại thời điểm đo Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác định vị thấp (sai số khoảng 5-15m), không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn đường và mục đích đo đạc có độ chính

xác không cao Phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh

1.3.2 Đo GPS tương đối

Thực chất của phương pháp đo này là xác định hiệu tọa độ không gian của 2 điểm

đo đồng thời đặt trên 2 đầu của cạnh đáy (Baseline) cần đo Loại trị đo được sử dụng là pha của sóng tải Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai

số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và thành lập bản đồ

tỷ lệ lớn Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo Tùy thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành 4 dạng đo tương đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (Fast- Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic) Tùy từng mạng lưới mà sử dụng phương pháp đo thích hợp

1.3.2.1 Phương pháp đo tĩnh (Static)

Phương pháp này được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường sử dụng để đo lưới toàn cầu (IGS), lưới khống chế khu vực, lưới khống chế tọa độ nhà nước các cấp, lưới chuyên dụng phục vụ nghiên cứu địa động

Phương pháp này cần có hai máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy còn lại đặt ở điểm cần xác định Cả hai máy thu GPS phải được đặt cố định và đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là từ một tiếng đến hai ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát 4 Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi Phương pháp này có thể sử dụng cả hai loại máy thu 1 tần số và 2 tần số

Đo tĩnh là phương pháp cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định

vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ centimét, thậm chí milimét cho các cạnh đáy (baseline)

tới hàng chục, thậm chí hàng trăm kilômét Nhược điểm chủ yếu của phương pháp là thời gian đo rất lâu, phải kéo dài nhiều giờ đồng hồ

1.3.2.2 Phương pháp đo tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp đo tĩnh nhanh tương tự như phương pháp đo tĩnh, nhưng thời gian đo ngắn hơn (khoảng 5 đến 10 phút) Thời gian đo được giảm đáng kể so với đo tĩnh là do giải nhanh được số nguyên chu kỳ

Thời gian đo được giảm xuống nhờ vào việc sử dụng C/A-code (và / hay P-code)

và kỹ thuật Wide-laning để ước tính khoảng cách gần đúng và giảm thiểu miền tìm kiếm

số nguyên chu kỳ Cùng với đó, phần mềm xử lý số liệu cũng sử dụng những thuật toán nâng cao để giảm thiểu yêu cầu đối với khoảng thời gian thu tín hiệu

Trước đây, chỉ có máy thu 2 tần số mới có thể đo tĩnh nhanh Gần đây, nhiều máy thu 1 tần số (ví dụ như Trimble 4600LS, R3) đã bắt đầu có khả năng sử dụng kỹ thuật này Tuy nhiên, việc sử dụng máy thu 2 tần số vẫn có ưu thế bởi thời gian đo ngắn hơn và

độ chính xác cao hơn Kỹ thuật đo tĩnh nhanh thích hợp cho các cạnh đáy ngắn 20km)

(<15-1.3.2.3 Phương pháp đo động (Kinematic)

Phương pháp này cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng 5 đến 15 giây tùy thuộc vào tần suất ghi tín hiệu Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên chu kỳ của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết, tức là nối với 2 điểm đã biết tọa độ Sau khi đã xác định được số nguyên chu kỳ thì nó được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt

ca đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo chỉ khoảng vài chục giây, không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo Máy này được gọi là máy cố định (base station) Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong 20-60 giây Việc làm này gọi là khởi đo (initialization) Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút, và cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di động

phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt ca đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn (gọi là trượt chu kỳ - cycle slip) Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành khởi

đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km và có độ chính xác cỡ centimét là đủ Trong phương pháp đo động, có thể dùng các kỹ thuật đo khác nhau như: đo liên tục (continuous), hoặc “dừng và đi” (Stop and Go) hoặc đo kiểu đánh dấu sự kiện (Events Markers) Trong đó kỹ thuật đo “dừng và đi” (Stop and Go) được dùng nhiều trong đo chi tiết để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, đo vẽ mặt cắt địa hình, đo bao các khu vực để kiểm kê diện tích đất sử dụng

Tùy thuộc vào thời điểm xử lý số đo (xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo) mà người ta chia thành 2 dạng:

1 Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK – Real Time Kinematic GPS)

Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền

số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý số liệu gọn nhẹ Hệ thống Radio Link bao gồm:

+ Radio phát số liệu: Là thiết bị phát truyền số liệu được nối với máy thu vệ tinh trạm tĩnh bằng cáp mềm truyền số liệu và phát số liệu thu vệ tinh tại trạm tĩnh đến thiết bị thu số liệu tại trạm động

+ Radio thu số liệu: có nhiệm vụ nhập số liệu truyền từ trạm phát và truyền vào thiết bị xử lý số liệu tại trạm động tại thực địa

Hình 1.7 Máy thu 4600LS và hệ thống Radio Link Trimtalk 900

Thiết bị đồng bộ của bộ đo RTK gồm các máy thu phát Radio Link, ví dụ như Trimtalk 450, Trimtalk 450S, Trimtalk 900 của hãng Trimble

Với phương pháp RTK thì tầm hoạt động của máy di động bị hạn chế (chỉ khoảng 5km) Nếu thiết lập thêm 1 trạm thu phát trung gian thì tầm hoạt động của máy đo có thể nâng cao tới 10 km

Ngoài việc đo tọa độ điểm khống chế, đo chi tiết thực địa, phương pháp RTK còn

có tính năng cắm điểm có tọa độ thiết kế trước ra thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao [4]

2 Đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic GPS)

Phương pháp này tọa độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng, do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link Tầm hoạt động của máy

di động có thể đạt đến 50km [4]

Với phương pháp này máy thu di động có năng suất lao động cao, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế cấp đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo vẽ chi tiết bản đồ địa hình và bản đồ địa chính Chi tiết về phương pháp đo động xử lý sau sẽ được trình bày trong chương 2

1.3.2.4 Phương pháp đo giả động

Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định

vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5-10 phút

Sau khi đo hết lượt, máy đo động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và

đo lặp lại tại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải bảo đảm sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn cách nhau một tiếng đồng

hồ có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được ít nhất 4 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát [6, 7]

Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể

tắt máy trong lúc di chuyển từ điểm nọ sang điểm kia Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên

bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và bảo đảm số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo phải có được ít nhất 4 vệ tinh

1.3.2.5 Đo GPS cải chính phân sai (DGPS- Differential GPS)

Là phương pháp đo GPS sử dụng kỹ thuật định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code có

độ chính xác đo tọa độ 0.5 m – 3m Nội dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (Base station) có tọa độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo tọa độ (Rover station) Trên cơ sở độ lệch về tọa độ đo so với tọa độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh hay trạm động phải thu tín hiệu đồng thời, cùng số

vệ tinh Có hai phương pháp cải chính phân sai [1]:

- Cải chính vào cạnh: Sử dụng cạnh tính theo trị đo mã của trạm tĩnh tới từng vệ tinh và tìm đô lệch so với khoảng cách thực của nó trên cơ sở tọa độ điểm gốc Các độ lệch này được dùng để cải chính cho chiều dài cạnh từ điểm cần định vị đến các vệ tinh tương ứng trước khi đưa cạnh vào tính tọa độ cho trạm động

- Cải chính vào tọa độ: Cũng tương tự với việc cải chính vào cạnh như trên, ở đây

sẽ xác định được độ lệch về tọa độ giữa tọa độ tính được của trạm tĩnh và tọa độ thực của

nó do ảnh hưởng của các nguồn sai số Các độ lệch đó được cải chính tương ứng vào tọa

độ của trạm động

Tùy thuộc vào thời điểm cải chính mà người ta chia thành các phương pháp đo cải chính phân sai sau:

1 Đo DGPS thời gian thực (Real Time DGPS)

Với phương pháp này, số cải chính được truyền từ trạm tĩnh tới trạm động ngay trên thực địa để cải chính cho tọa độ trạm di động và hiển thị kết quả tại thực địa ngay trong khi đo Để thực hiện được như vậy, thiết bị đo cần phải có thêm máy phát và thu tín hiệu Radio Link để truyền tín hiệu cải chính Máy phát Radio Link có thể đặt trên mặt đất hoặc phát qua vệ tinh địa tĩnh

2 Đo DGPS xử lý sau

Cũng tương tự như phương pháp đo DGPS thời gian thực nhưng số liệu cải chính không thực hiện trong quá trình đo mà nhận được sau khi xử lý số lệu trong phòng

Do độ chính xác không cao nên phương pháp DGPS chỉ được sử dụng trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ, hoặc các công tác dẫn đường

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS [4]

Kiểu đo

Số vệ tinh tối thiểu

Các thủ tục đo như phương pháp đo tĩnh

Đo động xử

lý sau

(GPS-PPK)

- Khoảng cách tối đa 50km

- Cần khởi đo trên cạnh đáy

đã biết hoặc bằng đo tĩnh nhanh trên cạnh chưa biết

- 13m đối với máy thu khác cùng điều kiện

- Không cần thu liên tục vệ tinh, không cần Radio truyền sóng

-13m đối với máy thu khác cùng điều kiện

- Không cần thu liên tục vệ tinh, cần Radio truyền sóng

rất nhiều nước khác trên thế giới

- Trong nghiên cứu địa động lực: đo các tham số chuyển dịch có tính toàn cầu và

đo lưới khống chế trắc địa liên lục địa, thiết lập các trạm quan trắc dịch chuyển lục địa, quan trắc trạng thái vận động khối lục địa, thu nhận các thông số thông tin địa chấn

- Trong trắc địa ảnh: ứng dụng công nghệ GPS vào công tác đo nối khống chế ảnh, dẫn đường bay trong công tác bay chụp ảnh, xác định toạ độ tâm ảnh trong quá trình bay chụp đang được áp dụng có hiệu quả trong công tác tăng dày khống chế ảnh

- Trong trắc địa biển: đo các điểm khống chế trắc địa được đặt dưới đáy biển, đo nối toạ độ tàu thuyền với các cơ sở trắc địa trên đất liền, đo vẽ địa hình đáy biển

- Trong công tác thành lập bản đồ: công nghệ GPS cũng được ứng dụng rộng rãi trong công tác đo vẽ chi tiết như thành lập lưới khống chế cơ sở, lưới khống chế đo vẽ và

đo vẽ chi tiết địa hình

- Trong trắc địa công trình: tiến hành thiết kế, thi công, nghiệm thu và theo dõi các công trình kiến trúc sử dụng công nghệ định vị toàn cầu Các cuộc quan trắc thí nghiệm ở Châu Âu, vùng Viễn Đông, Châu Úc, vùng Nam Mỹ, và toàn bộ khu vực Bắc Mỹ đã chứng tỏ rằng kỹ thuật định vị GPS trong trắc địa công trình có khả năng ứng dụng rất lớn

- Lưới cấp “0” 71 điểm phủ trùm lãnh thổ;

- Lưới khống chế biển: 32 điểm;

- Lưới Hạng I, II 1665 điểm phủ trùm lãnh thổ;

- Lưới Địa chính cơ sở: Hạng III) phủ trùm lãnh thổ: 12568 điểm;

- Lưới GPS – thuỷ chuẩn lập mô hình Geoid: 1009 điểm

- Hàng chục nghìn điểm toạ độ hạng IV phục vụ cho đo đạc khảo sát công trình giao thông, thuỷ lợi, xây dụng, quy hoạch

Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu qủa

Có thể nói công nghệ GPS hiện nay ở Việt Nam phát triển vô cùng mạnh mẽ, từ chỗ chỉ có một vài đơn vị lớn của Nhà nước được trang bị công nghệ GPS ban đầu ở những năm 1990, cho đến nay hầu hết các đơn vị đo đạc khảo sát các ngành, các tỉnh ở Việt Nam đã được trang bị, ứng dụng công nghệ GPS Số lượng máy thu GPS cho mục đích đo đạc độ chính xác cao ở Việt Nam tính đến nay đã đến con số hàng nghìn máy Ngoài ngành đo đạc, khảo sát, công nghệ GPS đã mang lại ứng dụng vô cùng đa dạng cho xã hội như dẫn đường, định vị trên biển, du lịch, giao thông thuỷ bộ, hàng hải, điều

đó chứng tỏ công nghệ GPS đã mang lại hiệu quả vô cùng to lớn cho ngành đo đạc địa hình, địa chính nói riêng và cho toàn xã hội nói chung

Việc sử dụng công nghệ GPS được phát triển còn được thể hiện trên lĩnh vực quản lý Đồng thời với việc áp dụng công nghệ trong sản xuất, các văn bản pháp quy về công nghệ GPS đảm bảo cho việc áp dụng công nghệ một cách có sự tổ chức, quản lý chặt của cơ quan quản lý cấp Nhà nước Quy chuẩn QCVN 04: 2008 của Bộ Tài nguyên

và Môi trường năm 2008, quy phạm của ngành Xây dựng,… ra đời điều chỉnh các hoạt động ứng dụng công nghệ GPS trên toàn quốc đã thể hiện sự phát triển mức độ cao của công nghệ GPS ở Việt Nam Xét về góc độ độ chính xác đạt được, phạm vi ứng dụng, hiệu quả ứng dụng, đội ngũ cán bộ sử dụng có thể nói, công nghệ GPS ở Việt Nam đã ngang tầm với các nước trong khu vực

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG XỬ LÝ SAU

2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp đo pha GPS

2.1.1 Mô hình toán học của phương pháp đo pha

Giả sử môi trường giữa vệ tinh k và máy thu i là chân không, tại một thời gian thực t k nào đó máy phát trong vệ tinh và máy thu cùng đồng thời phát ra tín hiệu với cùng tần số và cùng pha (tức là hai tín hiệu giống hệt nhau) Tín hiệu vệ tinh phát ra sẽ được

thu tại máy thu và tại thời điểm t máy thu sẽ đo được độ lệch pha i k (t) (tính bằng đơn

vị bước sóng) giữa tín hiệu thu được và tín hiệu do chính nó phát ra

Hình 2.1 Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng do máy thu phát ra

Nếu khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu bằng 0 thì i k(t)  0, tuy nhiên nếu khoảng cách này khác 0 thì độ lệch pha đo được cũng khác 0 bởi tín hiệu của vệ tinh mất thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu Khi đó [1]:

k i

k i

N - là số nguyên chu kỳ (hay trị nguyên nhập nhằng)

Giá trị N i k là một số nguyên (chưa biết) các bước sóng và được đưa vào phương trình trên bởi máy thu chỉ có khả năng đo được phần lẻ của độ lệch pha Chú ý rằng k

i

N

là số nguyên chu kỳ tại thời điểm máy thu bắt đầu bắt được (lock) tín hiệu vệ tinh và số này không thay đổi trong quá trình đo đạc nếu máy thu vẫn tiếp tục thu được tín hiệu vệ tinh

k i

k i

k

Đại lượng k i i k (t)được gọi là trị đo pha và được tính bằng đơn vị mét

Phương trình (2.4) là mô hình toán học của phương pháp đo pha trong trường hợp

lý tưởng Trong thực tế các trị đo pha còn chịu ảnh hưởng bởi:

- Độ lệch (độ trễ) thời gian của đồng hồ vệ tinh (dt k ) với đồng hồ của máy thu (dt i)

- Ảnh hưởng I i k của tầng điện ly làm nhanh pha và T i kcủa tầng đối lưu làm chậm pha của tín hiệu vệ tinh nhận được ở máy thu

- Ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến (multipath) dt iP k

- Các sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo đạc i k

Như vậy, mô hình toán học của phương pháp đo pha trong thực tế được viết như sau:

)()()

()

Trong phương trình trên, các đại lượng là thời gian được nhân với vận tốc ánh sáng trong chân không để chuyển về đơn vị chiều dài Cần chú ý là dấu của k

i

I có dấu

âm bởi tầng điện ly làm chậm tốc độ nhưng lại làm nhanh pha của sóng điện từ [1]

2.1.2 Các trị đo pha phân sai

Để giảm hoặc triệt tiêu một số sai số trong phép đo pha, trong thực tế người ta thường không sử dụng trị đo pha như trong phương trình (2.5) mà sử dụng các trị đo pha phân sai, bao gồm phân sai đơn, phân sai đúp, và phân sai ba

2.1.2.1 Trị đo phân sai đơn

Giả sử tại thời điểm t nào đó, hai máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ vệ tinh k (hình 2.2), kết quả là ta sẽ nhận được 2 trị đo pha như phương trình (2.5):

 ( ) ( ) ( ) ( ) )

( ) ( )

( ) (t i k t N i k I i k t T i k t dt i t dt k t cdt iP k t i k t

k

 ( ) ( ) ( ) ( ))

()()

()

j k

jP k

j k

j k j k j k

j k

()()(

)()()()

ij k

ijP ij

k ij k

ij k ij k

ij k

j k i k

2.1.2.2 Trị đo phân sai đúp

Tiếp tục suy luận như trên: nếu tại thời điểm t có 2 máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ vệ tinh k và s thì ta có 2 trị đo phân sai đơn:

)()()

()()(

)()()()(t i k t k j t ij k t N ij k I ij k t T ij k t dt ij t cdt ijP k t ij k t

k

)()()

()()(

)()()()(t i s t s j t ij s t N ij s I ij s t T ij s t dt ij t cdt ijP s t ij s t

()(

)()()()(t ij k t ij s t ij ks t N ij ks I ij ks t T ij ks t cdt ijP ks t ij ks t

ks

Với A ij ks(t) A ij k(t)A ij s(t), A là ký hiệu chung cho các đại lượng , N, I, dt P, 

Như vậy, trong trị đo pha phân sai đúp ảnh hưởng của sai số đồng hồ ở cả vệ tinh lẫn máy thu đã bị triệt tiêu Do đặc tính như vậy mà các trị đo pha phân sai đúp thường được sử dụng trong các phương pháp đo pha và kết quả của phép đo không phải là tọa độ

tuyệt đối của các máy thu i, j mà là vectơ r ij nối chúng với nhau Vectơ r ij được gọi là cạnh đáy (baseline)

2.1.2.3 Trị đo phân sai ba

Nếu tại 2 thời điểm t 1 và t 2 có 2 máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ vệ tinh k và s thì ta sẽ có 2 trị đo phân sai đúp:

)()()

()(

)()(t1 t1 N I t1 T t1 cdt t1 ks t1

ij ks

ijP ks

ij ks

ij ks ij ks

ij ks

)()()

()(

)()(t2 ij ks t2 N ij ks I ij ks t2 T ij ks t2 cdt ijP ks t2 ij ks t2

ij ks ij ks ij ks

ij ks

ij ks

A ks ii  ij ks  ij ks , A là ký hiệu chung cho các đại lượng , I, dt P, 

Như ở trên đã nói, số nguyên chu kỳ ks

ij

N không thay đổi theo thời gian nếu trong quá trình đo đạc không bị mất tín hiệu vệ tinh Do đó, trong các trị đo phân sai ba, một ẩn

số là số nguyên chu kỳ sẽ được loại trừ

2.1.2.4 Ứng dụng của các loại trị đo phân sai

Từ các phương trình (2.8), (2.11), (2.14) ta thấy: các trị đo phân sai ba có hiệu quả

sử dụng cao nhất vì nó có ít tham số chưa biết nhất, đặc biệt là không có số nguyên chu

kỳ N - ẩn số bắt buộc phải giải trong phép đo pha GPS

Tuy nhiên, thực tế cho thấy (và người ta cũng đã chứng minh được) là các trị đo phân sai ba lại chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố còn lại (ảnh hưởng của tầng điện ly, đối lưu, đa tuyến, nhiễu) [8] Bởi vậy, khi xử lý các trị đo GPS, người ta chỉ sử dụng trị

đo phân sai ba để ước tính tọa độ gần đúng của trạm đo, trên cơ sở đó xác định số nguyên

chu kỳ N

Các trị đo phân sai đúp là loại trị đo hay được sử dụng nhất trong phép đo pha GPS có yêu cầu độ chính xác cao Nhược điểm của loại trị đo này là nó yêu cầu phải giải được số nguyên chu kỳ

Các phân sai đơn chủ yếu được sử dụng để phát hiện những thời điểm bị trượt chu

kỳ (cycle slip), tức là tín hiệu vệ tinh bị mất trong một thời điểm nào đó dẫn đến số

nguyên chu kỳ N bị mất, cần xác định lại

Từ phương trình (2.11) ta thấy, để định vị được, tức là xác định được khoảng cách thực , chúng ta cần phải xác định (hoặc triệt tiêu) các đại lượng N, I, T và dtP Hiện nay chưa có thuật toán nào có thể triệt tiêu ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến (multipath), cách phổ biến nhất hiện nay là sử dụng anten thích hợp hoặc sử dụng những máy thu có khả năng phát hiện ra tín hiệu phản xạ bị trễ Trong mọi trường hợp cần tránh đặt máy thu

ở gần các địa vật có mức độ phản xạ sóng điện từ mạnh, khi đó có thể coi dt P  0

2.2 Kỹ thuật đo GPS động xử lý sau

2.2.1 Nguyên tắc đo đạc

Như đã trình bày trong chương 1, tùy theo cách thức xác định số nguyên chu kỳ N

của trị đo pha mà chúng ta có 2 nhóm phương pháp đo cơ bản:

+ Đo tĩnh: xác định số nguyên chu kỳ trực tiếp từ số liệu đo liên tục trong một khoảng thời gian khá lâu

+ Đo động: xác định trước số nguyên chu kỳ khi bắt đầu ca đo và do đó thời gian

đo tại một điểm sẽ rút ngắn một cách đáng kể Tùy theo thời điểm tính toán xử lý số liệu

mà chúng ta có 2 kỹ thuật: đo động thời gian thực - RTK (xử lý số liệu ngay ngoài thực địa, trong quá trình đo) và đo động xử lý sau (xử lý số liệu trong giai đoạn nội nghiệp sau khi đo)

Trong kỹ thuật đo động, một máy cố định (base receiver) được đặt tại một điểm đã biết toạ độ (phải là một điểm rất thông thoáng), còn một hay nhiều máy động (rover receiver) được lần lượt đặt ở các điểm cần xác định Thời gian đặt máy động ở các điểm

này là rất ngắn so với các kỹ thuật đo tĩnh, khoảng thời gian giữa các lần thu tín hiệu (epoch) cũng ngắn hơn, từ 1s đến 10s (so với 15-20s trong kỹ thuật đo tĩnh)

Khoảng thời gian dừng của máy động ở các điểm là rất ngắn bởi vì trong các kỹ thuật đo động, số nguyên chu kỳ được xác định trước bằng thủ tục khởi đo (initialization) Mỗi ca đo đều phải bắt đầu bằng thủ tục khởi đo, sau khi khởi đo thành công thì số nguyên chu kỳ sẽ được biết và máy động có thể bắt đầu được đo Trong quá trình đo và di chuyển máy động giữa các điểm đo cần phải đảm bảo sao cho máy động và máy cố định phải liên tục thu được tín hiệu (lock on the satellite signal) đồng thời từ 4 vệ tinh trở lên Nếu điều kiện này không được đảm bảo thì sẽ xảy ra hiện tượng “trượt chu kỳ” (cycle slip) và máy động phải khởi đo lại Trong mọi trường hợp, trước khi kết thúc

ca máy động cần phải được khởi đo lại để đề phòng trường hợp bị trượt chu kỳ ở giữa ca

đo mà kỹ thuật viên không phát hiện ra được ngoài thực địa

Yêu cầu bắt buộc đối với đo động xử lý sau là phải đạt được lời giải Fixed solution cho các cạnh khởi đo Nếu không sai số toạ độ điểm sẽ rất lớn, từ vài chục cm trở lên [7]

2.2.2 Quy trình đo GPS động xử lý sau

Hiện nay, trên thế giới có nhiều hãng chế tạo thiết bị GPS phục vụ đo đạc trắc địa với nhiều model rất đa dạng, đáp ứng được các nhu cầu sử dụng khác nhau Tuy nhiên, nguyên tắc đo của các máy đều khá giống nhau Vì vậy, mục này sẽ khái quát về quy trình đo động xử lý sau trên ví dụ đối với máy thu Trimble R3 - một model đang được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam Đây cũng là model máy thu GPS mà tác giả luận văn có nhiều kinh nghiệm sử dụng trong thực tế

2.2.2.1 Công tác chuẩn bị

Trong giai đoạn này cần phải chuẩn bị các thiết bị đo và máy tính, phần mềm xử

lý số liệu

- Máy thu tín hiệu vệ tinh: Máy thu phục vụ cho đo GPS động là thiết bị thu tín

hiệu vệ tinh phục vụ cho đo tĩnh thông thường nhưng được thiết kế gọn, nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển đo đạc tại thực địa

- Tại trạm Base: 01 máy thu GPS có chức năng đo động; chân máy, đế máy có

dọi tâm và nguồn điện (pin hoặc ắc quy)

- Tại trạm Rover: 01 máy thu GPS; 01 bộ điều khiển đo; 01 sào đo kèm bọt thuỷ

tròn; cáp nối bộ điều khiển và máy thu; nguồn điện (pin hoặc ắc quy)

Ngoài chức năng là máy thu vệ tinh có anten trong, bộ nhớ trong, máy thu loại này còn có các cổng kết nối với thiết bị ngoại vi như thiết bị điều khiển (Survey Controller),

sổ điện tử R3, acquy, Radio trạm phát, trạm thu, anten, thanh khởi động, chân máy trạm tĩnh, giá máy trạm động Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều các loại máy thu phù hợp cho phương pháp đo GPS động như trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS có khả năng đo động

Loại

máy

Hãng, nước chế tạo

- Máy tính và phần mềm xử lý số liệu: Để xử lý số liệu đo động GPS cần có phần

mềm có chức năng xử lý cạnh đáy (wave processing hay baseline processing) Hầu hết các phần mềm được cung cấp theo thiết bị đo GPS đều có chức năng này, ví dụ như phần mềm GPSurvey, Trimble Geomatics Office, hay Trimble Business Center của hãng Trimble

2.2.2.2 Chuẩn bị về tài liệu khống chế khu đo, khảo sát khu đo

Để tiến hành quy chuẩn hệ tọa độ về hệ tọa độ địa phương khu đo cần có ít nhất 3 điểm khống chế hạng cao phân bố đều trong khu đo, phổ biến nhất là các điểm địa chính

cơ sở Tọa độ của các điểm này cần được thu thập, vị trí của chúng cần được xác định sơ

bộ trên bản đồ tỷ lệ nhỏ hơn để thiết kế tuyến đo nối Nếu không có lưới cấp cao hơn thì tốt nhất là tiến hành lập 1 lưới GPS đo tĩnh bao quanh khu đo để quy chuẩn tọa độ Cũng

có thể sử dụng 7 tham số tính chuyển từ hệ tọa độ WGS-84 về hệ tọa độ địa phương đang

sử dụng nếu có Song thực tế ít khi sử dụng cách này mà chủ yếu dùng các điểm khống chế hạng cao để quy chuẩn hệ tọa độ Việc khảo sát khu đo là rất quan trọng, nhằm đánh giá dự kiến về khối lượng có thể đo GPS động, tuyến di chuyển tối ưu phục vụ cho việc

đo đạc GPS động một cách hiệu quả

2.2.2.3 Thiết lập trạm tĩnh

Do yêu cầu đo GPS động trạm tĩnh phải liên tục thu tín hiệu vệ tinh với số lượng tối đa có thể nên cần phải khảo sát khu đo để xác định vị trí có tầm quan sát bầu trời tốt nhất Cần tránh chọn điểm trạm tĩnh gần tán cây, dưới các vật che chắn tín hiệu như nhà, tường, gạch, cột điện,

Điểm được chọn làm trạm tĩnh nên là điểm khống chế trong mạng lưới toạ độ Nhà nước (I, II, III) hoặc lưới chêm dày (cấp 1, cấp 2) Tại điểm trạm tĩnh cần đảm bảo thông thoáng tốt để thuận lợi cho việc thu tín hiệu từ 4 vệ tinh trong suốt thời gian đo động Điểm trạm tĩnh không nên chọn quá xa khu đo, tốt nhất cách khu đo không quá 10 km, vị trí điểm trạm tĩnh phải đảm bảo tầm khống chế khu đo hợp lý nhất, có khả năng thu tín hiệu vệ tinh tốt nhất, tiếp cạnh được diện tích rộng nhất Tọa độ của điểm trạm tĩnh này cũng có thể được tính sau khi tiến hành thủ tục quy chuẩn (Calibration) nếu trạm tĩnh không đặt trên điểm đã biết toạ độ Một điểm trạm tĩnh có thể dùng chung cho nhiều trạm động

Thông thường khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn thì tầm đo 5km là khá đủ cho việc chỉ sử dụng duy nhất một trạm tĩnh có thể đo hết khu đo Vì vậy cần chú ý sao cho việc chọn trạm tĩnh có hiệu quả đo cao nhất

Trạm tĩnh sẽ được khởi động trước khi thực hiện thủ tục khởi đo Khi thực hiện khởi động trạm tĩnh cần có bộ điều khiển đo nối với máy thu bằng cáp chuyên dụng Cần xác định trước tần suất thu tín hiệu (epoch), nơi ghi số liệu, góc ngưỡng chọn vệ tinh,

nhập tọa độ điểm khống chế, chọn kiểu đo, Các tham số này sẽ được cài đặt trước trong

bộ điều khiển đo (Survey Controler)

Thực hiện các thao tác khởi động trạm tĩnh bằng lệnh “Start base receiver” Sau đó nhập vào số hiệu và tọa độ điểm khống chế chọn làm base, nhập chiều cao máy Khi nào trên màn hình bộ điều khiển đo động thông báo: “Base started” tức là trạm tĩnh đã được khởi động xong Có thể tháo bộ điều khiển đo ra khỏi máy tĩnh nếu chọn ghi số liệu vào

bộ nhớ của máy

2.2.2.4 Khởi động trạm động và khởi đo

Nếu tiến hành đo động phục vụ cho đo vẽ chi tiết địa hình, hoặc địa chính máy động thường gắn trên sào đo Anten máy thu trạm động được nối với bộ điều khiển đo bằng cáp chuyên dụng Việc khởi động trạm động cũng được tiến hành tương tự như đối với trạm tĩnh Sau đó, ta cần thực hiện thủ tục khởi đo (initialization) để xác định số nguyên chu kỳ trước khi đo điểm đầu tiên

Với máy thu 1 tần số Trimble 4600LS hay R3, có thể thực hiện thủ tục khởi đo theo hai phương án sau:

- Đặt máy động tại điểm đã biết (Known point)

- Đặt máy động tại điểm chưa biết (New point)

Nếu khởi đo tại điểm đã biết, cần biết trước vectơ khởi đầu từ trạm tĩnh đến trạm khởi đo, gồm các thành phần gia số toạ độ ΔX, ΔY, ΔZ trong hệ toạ độ WGS-84

Trong trường hợp này thời gian khởi đo ngắn thường chỉ vài chục giây

Nếu khởi đo tại điểm chưa biết toạ độ, cần phải chờ một thời gian dài hơn, thường

là vài chục phút phụ thuộc vào số lượng vệ tinh tại thời điểm khởi đo cho đến khi thủ tục khởi đo đã hoàn thành Thực chất thời gian này tương đương với đo tĩnh nhanh để xác định vectơ khởi đầu [7]

Sau khi khởi đo, máy động sẽ chuyển từ chế độ Float sang chế độ Fixed, có nghĩa

là xác định được số nguyên chu kỳ, và ta có thể tiến hành đo các điểm cần xác định Trong quá trình đo đạc, phải đảm bảo sao cho máy động và máy cố định cùng liên tục thu tín hiệu tới đồng thời 4 hoặc nhiều hơn vệ tinh Nếu điều kiện này không thỏa mãn thì máy sẽ bị trượt chu kỳ (mất số nguyên chu kỳ) và khi đó cần phải tiến hành lại thủ tục khởi đo

Trong quá trình đo động xử lý sau, do máy động và máy cố định không ở gần nhau trong quá trình đo đạc và chúng cũng không liên kết tín hiệu với nhau như trong đo động

thời gian thực nên đôi khi ngoài thực địa không thể xác định được có xảy ra hiện tượng trượt chu kỳ hay không Đây là một trong những nhược điểm lớn của phương pháp đo động xử lý sau và để khắc phục một phần vấn đề này, chúng ta cần thực hiện thủ tục khởi

đo thêm một lần nữa ở cuối ca đo

2.2.2.5 Đo điểm ngoài thực địa

Sau khi máy đo được khởi đo (máy động ở chế độ Fixed) công việc đo đạc các điểm cần xác định ngoài thực địa bắt đầu Có các loại đo cơ bản như sau:

+ Đo quy chuẩn hệ tọa độ

Đo GPS động là một dạng đo GPS tương đối, tức là chỉ xác định được số gia tọa

độ trong hệ WGS-84 của điểm trạm động so với trạm tĩnh Để sử dụng kết quả này ở hệ tọa độ địa phương, cần phải có hoặc tính toán các tham số chuyển đổi Việc xác định các tham số chuyển đổi đó gọi là thủ tục quy chuẩn hệ tọa độ cho khu đo (Site Calibration)

Việc quy chuẩn hệ tọa độ có thể sử dụng một trong các cách sau:

- Sử dụng 7 tham số tính chuyển đổi tọa độ: Để chuyển đổi từ hệ tọa độ GPS toàn

cầu (WGS-84) về hệ tọa độ địa phương cần có tham số tính chuyển chính xác giữa 2 hệ thống tọa độ Các tham số đó là:

+ 3 tham số dịch chuyển gốc tọa độ ΔX, ΔY, ΔZ

+ 3 tham số về góc xoay của 3 trục tọa độ Rx, Ry, Rz

+ 1 hệ số tỷ lệ chiều dài k

Nếu hệ tọa độ địa phương là VN-2000 thì các tham số chuyển đổi đã được công

bố trong Công văn số 1123/ĐĐBĐ-CNTĐ ngày 26/10/2007 của Bộ Tài nguyên và Môi trường Cụ thể như sau:

+ x = 191,90441429; y = 39,30318279; z = 111,45032835

+ Rx = 0,00928836”; Ry = -0,01975479”; Rz = 0,00427372”

+ k = 0,999999747093722 (hay -0,252906278 ppm)

- Sử dụng tập hợp điểm trùng

Chọn ít nhất 3 điểm trong khu đo có tọa độ trong hệ tọa độ địa phương để đo trong

hệ tọa độ GPS Trên cơ sở 2 tọa độ trong 2 hệ thống của các điểm trùng sẽ tính được các thông số quan hệ cục bộ giữa 2 hệ thống trong khu đo và từ đó tọa độ của các điểm đo khác sẽ được tính theo các thông số này

Thao tác quy chuẩn hệ tọa độ bằng cách sử dụng điểm song trùng như sau:

- Lần lượt đo tọa độ các điểm khống chế theo chế độ đo “Control point” trong điều kiện “Fixed”

- Chuyển về mục “GPS site calibration” nhấn Enter, màn hình sẽ hiện ra “No point” Nhấn phím mềm tương ứng với “Add” để đưa từng điểm khống chế tham gia vào thủ tục quy chuẩn Trên màn hình cần phải trả lời tại các ô:

- Grid point – nhập số thứ tự điểm khống chế thứ nhất đã nhập từ bàn phím

- GPS point – nhập số thứ tự điểm khống chế thứ nhất đã đo từ thực địa

- Use – lựa chọn điểm này cho phép khống chế tham gia quy chuẩn về mặt bằng (H) hoặc độ cao (V) hoặc cả mặt bằng và độ cao (H,V)

Bằng cách tương tự đưa các điểm khác tham gia vào quy chuẩn hệ tọa độ Khi số điểm tham gia vào quy chuẩn là 3 sẽ xuất hiện sai số về mặt bằng còn lại tại mỗi điểm Khi số điểm tham gia quy chuẩn là 4 thì sai số còn lại về độ cao sẽ xuất hiện thêm với mỗi điểm nếu sai số còn lại tại các điểm quy chuẩn nhỏ hơn giá trị cho phép – nhấn phím

“Apply” để áp dụng cho toàn bộ Job Nếu sai số còn lại tại một điểm nào đó lớn, cần xem lại số hiệu điểm các điểm trùng hoặc kiểm tra lại tọa độ các điểm khống chế khi nhập vào R3 Nếu không phát hiện lỗi nên loại bỏ điểm này

Tuy nhiên, nếu không cần thiết tính tọa độ trong hệ địa phương ngay tại thực địa thì việc quy chuẩn có thể tiến hành trong phòng sau thực địa

+ Đo chi tiết các điểm và các vấn đề mã hóa điểm đo

Trong khi máy thu GPS thông báo ở chế độ “Fixed” thì được phép đo chi tiết ở bất

kỳ vị trí nào Với phương pháp đo GPS PPK chỉ cần đo tối thiểu 2 trị đo tại mỗi điểm đo Lúc này, năng suất đo chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào sự di chuyển của người đo đến tiếp cận điểm đo Người đo sẽ dễ dàng thao tác đo toàn bộ những điểm cần đo trên khu đo như khi đo bằng các phương pháp truyền thống Điều này không có gì đặc biệt phải đề cập đến, nhưng ở đây số liệu đo sẽ được xử lý trên các phần mềm vẽ bản đồ tự động thì vấn đề cần đề cập đến là mã hóa điểm đo phục vụ cho việc vẽ bản đồ tự động Việc mã hóa điểm đo được tiến hành thuận lợi với bàn phím của máy thu GPS R3 có đầy đủ chữ cái, số và các ký tự đăc biệt Một thuận lợi lớn của việc mã hóa điểm đo khi đo GPS động

là máy và người đo tiếp cận trực tiếp điểm đo Tất nhiên cụ thể cách mã hóa điểm đo sẽ phụ thuộc vào phần mềm vẽ bản đồ tự động khi xử lý số liệu Dù với cách mã hóa điểm

đo của phần mềm nào thì việc mã hóa cũng đạt mức độ chuẩn cao do vậy hiệu quả về tự động vẽ các yếu tố nội dung trên phần mềm sẽ cao hơn nhiều khi mất tín hiệu vệ tinh,

máy thu trở về trạng thái “RTK=Float”, lúc này phải dừng việc đo để khởi đo lại Việc khởi đo lúc này có thể tiến hành theo lựa chọn “Known point” – tức là dùng 1 điểm đo trước đó ghi trong R3 nhưng còn tồn tại chính xác trên thực địa để khởi đo (phương pháp

sử dụng là Reoccupation đã mô tả ở phần trên) Với cách này thời gian khởi đo rất nhanh, chế độ “Fixed” đạt được chỉ sau vài giây Với bộ nhớ trong của máy thu R3 có thể chứa hàng nghìn đo GPS PPK

2.2.2.6 Xử lý số liệu đo đạc nội nghiệp

+ Trút số liệu đo

Số liệu GPS đo động có thể được ghi trong sổ đo điện tử R3 hoặc trong máy thu GPS tùy theo người đo quy định Sau khi kết thúc thực địa, số liệu đo cần được trút sang máy vi tính để chuẩn bị xử lý trong phần mềm đo vẽ bản đồ Để trút số liệu đo có thể tiến hành theo 2 cách:

- Sử dụng phần mềm chuyên trút số liệu GPSload và lưu giữ tại địa chỉ nào đó trong máy vi tính sau đó mới gọi vào phần mềm đồ họa

- Trút trực tiếp vào phần mềm đồ họa TSOffice (Trimble survey office) hoặc TGO (Trimble Geomatic Office), TTC (Trimble Total Control), TBC (Trimble Busyness Centre)

Giao diện của 2 cách trút số liệu này là như nhau, trong đó tùy theo nơi ghi số liệu

là TSC1 hoặc máy thu 4800, 4600LS để lựa chọn trong “Source Device” là “Survey Controller” hoặc “Receiver”

Sau khi trút số liệu đo GPS PPK có các file là:

Khác với đo GPS RTK, số liệu đo GPS PPK là dạng số liệu thô (Raw data) chưa

xử lý Công việc trước tiên là phải xử lý các trị đo GPS tại các điểm Về hình thức xử lý

số liệu đo GPS PPK giống như xử lý dữ liệu đo GPS tĩnh song không xử lý riêng biệt từng cạnh đáy (baseline) mà xử lý cả cụm cạnh đáy Các kết quả đo động thường là các điểm đo chi tiết nên không cần bình sai

2.2.3 Các nguồn sai số trong GPS đo động xử lý sau

2.2.3.1 Ảnh hưởng của tầng điện ly

Khi tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly và các lớp khí quyển của tầng đối lưu thì chúng bị giảm tốc độ và chuyển hướng Ảnh hưởng của tầng điện ly luôn thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào các yếu tố chính sau:

- Độ cao của vệ tinh (từ vị trí của máy thu): khi vệ tinh càng thấp thì quãng đường tín hiệu đi qua tầng điện ly càng dài và ảnh hưởng của nó càng lớn

- Ảnh hưởng của tầng điện ly phụ thuộc vào bức xạ mặt trời: vào ban đêm ảnh hưởng rất nhỏ, còn ban ngày sẽ tăng lên nhiều lần

Ảnh hưởng của tầng điện ly có thể được biểu diễn bởi công thức do Klobuchar đề xuất như sau [1]:

TEC cf

Trong đó: t ion -là độ trễ của tín hiệu (ms),

C - là tốc độ ánh sáng trong chân không,

f - là tần số của sóng tải (L1 và L2), TEC- là tổng lượng điện tử (Total Electron Content), tức là số lượng điện tử

tự do có trong một cột tầng điện ly với diện tích đáy của cột là 1m2

Khi khoảng cách giữa hai máy thu (trạm đo) i và j tương đối ngắn (< 10km) thì

ảnh hưởng của tầng điện ly ở máy cố định và máy động sẽ gần bằng nhau, do đó chúng sẽ

bị triệt tiêu trong các trị đo phân sai đơn và phân sai đúp Như vậy, đối với kỹ thuật đo động xử lý sau các cạnh đáy thường ngắn và do đó chúng ta không cần quan tâm nhiều tới ảnh hưởng của tầng điện ly Trong trường hợp phải đo cạnh đáy dài hơn (> 10km) thì ảnh hưởng của tầng điện ly không tự triệt tiêu và chúng ta phải sử dụng máy thu GPS 2 tần số (L1 và L2) để giảm thiểu ảnh hưởng của nó

Tương tự như tầng điện ly, tầng đối lưu cũng làm chậm tín hiệu vệ tinh và ảnh hưởng của nó phụ thuộc vào độ cao của vệ tinh: vệ tinh càng thấp thì ảnh hưởng của tầng đối lưu càng lớn Trong phương pháp đo pha, một phần ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ tự triệt tiêu trong các trị đo phân sai nếu các máy thu GPS có vị trí gần nhau

Để tính toán và giảm thiểu ảnh hưởng của tầng đối lưu k

k

Tính phân trên được tính theo đường đi S của tín hiệu vệ tinh với N T được tính như sau [9]:

6

37190092

.12624

.77)

e T

s

(2.17)

Trong đó  là áp suất không khí (mbar), e là áp suất riêng của hơi nước trong không

khí (mbar), T là nhiệt độ của không khí tại điểm cần xác định (tính bằng 0K)

2.2.3.2 Sai số của đồng hồ trên vệ tinh và ở máy thu

Mặc dù đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh có độ chính xác rất cao (khoảng 3x10-9giây) song tần số do đồng hồ này phát ra vẫn liên tục bị “trôi” (drift) với tốc độ nhỏ Phần điều khiển trên mặt đất sẽ theo dõi quá trình trôi này và hiệu chỉnh khi cần thiết

Các máy thu GPS sử dụng đồng hồ thạch anh nên độ chính xác thấp hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh Tuy nhiên, cả sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu sẽ bị triệt tiêu trong trị đo pha phân sai đúp và phân sai ba như đã mô tả trong mục 2.1

2.2.3.3 Hiện tượng đa tuyến (multipath) của tín hiệu

Khi anten của máy thu được đặt gần các địa vật lớn như toà nhà hay hồ nước thì

có một phần tín hiệu sẽ không được truyền trực tiếp mà phản xạ từ bề mặt của các địa vật

đó rồi mới tới anten Do đó, khoảng cách đo được từ vệ tinh tới máy thu sẽ lớn hơn

khoảng cách thực, gây sai số lớn trong kết quả đo đạc

Để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến, ngoài việc tránh đo đạc ở những khu vực có địa vật phản xạ mạnh, có thể áp dụng thêm 2 phương pháp:

- Sử dụng các anten có hướng bắt sóng hẹp, chẳng hạn như anten loại “choke ring” có 4-5 vòng kim loại bao quanh để chắn sóng điện từ từ các hướng không cần thiết Thực tế hầu hết các máy thu GPS dùng trong trắc địa đều sử dụng loại anten này

- Bổ sung chức năng phát hiện đa tuyến trong các máy thu Nếu hiện tượng đa tuyến xảy ra thì ngoài tín hiệu chính còn có các tín hiệu phụ được thu bởi anten của máy thu Các tín hiệu phụ này có cấu trúc giống như tín hiệu chính nhưng sẽ chậm hơn một khoảng thời gian nào đó và có cường độ nhỏ hơn Bằng cách so sánh các tín hiệu với nhau, máy thu có thể phát hiện ra các tín hiệu phụ và loại bỏ chúng

2.3.3.4 Sự suy giảm độ chính xác do đồ hình không tốt của các vệ tinh (Dilution

of Precision)

Độ chính xác của phép định vị phụ thuộc rất nhiều vào vị trí tương đối của các vệ tinh (so với nhau và so với máy thu) Để đánh giá ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh tới độ

chính xác, người ta sử dụng các chỉ số DOP Nếu đặt 0 là sai số trung phương (độ lệch chuẩn) của một trị đo khoảng cách thì sai số trung phương về vị trí của điểm cần xác định bằng [1]:

Bảng 2.2 Các chỉ số ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh DOP [1]

Tên chỉ số Tên tiếng

2.2.3.5 Sai số của lịch vệ tinh (Satellite ephemeris)

Toạ độ của vệ tinh được tính toán dựa trên lịch vệ tinh cung cấp cho máy thu trong thông báo định vị (Navigation message) và được gọi là lịch vệ tinh thực Toạ độ có trong lịch vệ tinh thực không phải là toạ độ thực của vệ tinh mà chỉ là toạ độ dự báo từ kết quả quan trắc trước đo của trạm điều khiển trên mặt đất và do đó nó sẽ có một sai số nhất

định (từ vài mét đến vài chục mét) Sai số này được phân thành 3 thành phần: atr (along