Nghiên cứu một số giải pháp truyền số cải chính trong đo đạc địa chính sử dụng công nghệ đo động thời gian thực tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Lâm Đồng

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Những năm gần đây, việc thành lập bản đồ điạ chính tỷ lệ lớn bằng công nghệ đo động thời gian thực RTK, một ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-*** -

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN

SỐ CẢI CHÍNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ TỈNH LÂM ĐỒNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-*** -

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN

SỐ CẢI CHÍNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TẠI KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ TỈNH LÂM ĐỒNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

HOÀNG ANH TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ vô cùng to lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

- Quý Thầy cô khoa Địa lý, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực hiện đề tài

- PGS.TS Trần Quốc Bình đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

- Phòng Quản lý Đào tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện tốt cho tôi trong suốt khóa học và thời gian thực hiện đề tài

- Đặc biệt gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã góp ý, khuyến khích động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn!

HOÀNG ANH TUẤN

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong không gian 5

Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động, điều khiển của hệ thống GPS 6

Hình 1.3: Các trạm điều khiển 7

Hình 1.4: Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS 10

Hình 1.5: Đo pha sóng tải 11

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý định vị tuyệt đối 13

Hình 1.7: Sơ đồ xác định tọa độ một điểm từ 3 vệ tinh 14

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối 16

Hình 1.9: Sơ đồ mô tả sai phân bậc một 16

Hình 1.10: Sơ đồ mô tả sai phân bậc hai 17

Hình 1.11: Các thành phần của độ lệch quỹ đạo vệ tinh 18

Hình 1.12: Tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly và các lớp khí quyển 19

Hình 1.13: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền 20

Hình 1.14: Đo RTK sử dụng radio phát số cải chính 25

Hình 1.15: Lựa chọn điểm đăt máy base 26

Hình 1.16: Sơ đồ xác định góc ngưỡng 27

Hình 2.1: Sơ đồ lặp radio 36

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí các trạm lặp radio 37

Hình 2.3: Bộ máy Trimble R4 với bộ điều khiển TSC3 38

Hình 2.4: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển TSC2 39

Hình 2.5: Màn hình với các chức năng chính cho đo đạc ngoài thực địa 39

Hình 2.6: Kết nối qua điện thoại di động khi đo RTK 42

Hình 2.7: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển CS10 43

Hình 2.8: Màn hình đo RTK 44

Hình 2.9: Sơ đồ hoạt động của hệ thống truyền dữ liệu GPS bằng internet 46

Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động với một trạm cố định 47

Hình 2.11: Sơ đồ truyền dữ liệu bằng internet 47

Hình 2.12: Bộ máy GPS V30 và bộ điều khiển Qmini 48

Hình 2.13: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển Qmini 49

Hình 2.14: Màn hình nhập địa chỉ IP và góc ngưỡng 50

Hình 3.1: Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè năm 2014 52

Hình 3.2: Địa giới hành chính xã Ninh Gia 53

Hình 3.3: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc –Thị Nghè 55

Hình 3.4: Biểu đồ kết quả 3 phương án thử nghiệm 59

Hình 3.5: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại Ninh Gia 61

Hình 3.6: Biểu đồ kết quả 2 phương án thử nghiệm 65

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số cài đặt trạm lặp radio 36 Bảng 3.1: Tọa độ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè 56 Bảng 3.2: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng lặp sóng radio để truyền số cải chính 57 Bảng 3.3: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính 58 Bảng 3.4: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính 58 Bảng 3.5: Tọa độ điểm thử nghiệm tại xã Ninh Gia 62 Bảng 3.6: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính 63 Bảng 3.7: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính 64 Bảng 3.8: Bảng so sánh ba giải pháp truyền số cải chính 69

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Base (Base): Trạm cố định

2 CMR (Compact Measurement Record): Chuẩn được thiết kế bởi Trimble

3 DOP (Dillution Of Precision): Chỉ số suy giảm độ chính xác

4 GNSS (Global Navigation Satellite System): Các hệ thống định vị vệ tinh

5 GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị vệ tinh của Mỹ

6 GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System): Hệ thống định vị vệ tinh của Nga

7 GIS (Geomatic Information System): Hệ thống thông tin địa lý

8 GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

9 GPRS (General Packet Radio Service): Mạng thông tin di động thế hệ 2,5G

10 HDOP (Horizontal Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng

11 IP (Internet Protocol): Giao thức Internet

12 KB (KiloByte): Đơn vị thông tin

13 NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging-Global Positioning System): Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai

14 NTS - 2 (Navigation Technology Sattellite 2): Vệ tinh thử nghiệm

15 OTF (On The Fly): Kỹ thuật khởi đo

16 PDOP (Positional Delution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí

17 RTK (Real Time Kinematic): Đo động thời gian thực

18 Rover (Rover): Trạm di chuyển hoặc máy di chuyển

19 RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services): Chuẩn được thiết

kế bởi hiệp hội radio

20 TDOP (Time Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian

21 VDOP (Vertical Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về cao độ

22 QC (Quality of Coordinates): Độ chính xác tọa độ điểm đo

23 WGS-84 (World Geodetic System 1984): Hệ tọa độ WGS-84

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Danh mục hình .iii

Danh mục bảng v

Danh mục các chữ viết tắt vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH 4

1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS 4

1.1.1 Lịch sử phát triển 4

1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 6

1.1.3 Các trị đo GPS 9

1.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 13

1.1.5 Các nguồn sai số trong đo GPS 17

1.1.6 Các kỹ thuật đo pha GPS 22

1.2 Công nghệ đo động thời gian thực 24

1.2.1 Cài đặt trạm base 25

1.2.2 Cài đặt máy rover 26

1.2.3 Khởi đo RTK 28

1.2.4 Truyền tín hiệu giữa máy base và rover 29

1.2.5 Các chế độ đo RTK 30

1.2.6 Độ chính xác đo đạc RTK 31

1.3 Tình hình ứng dụng RTK trong đo đạc địa chính 31

1.4 Một số vấn đề cần khắc phục trong đo đạc địa chính bằng RTK 34

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN SỐ CẢI CHÍNH

TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ RTK 35

2.1 Giải pháp sử dụng thiết bị lặp sóng radio 35

2.1.1 Ý tưởng công nghệ 35

2.1.2 Sơ đồ và qui trình triển khai 36

2.2 Giải pháp sử dụng Điện thoại di động 42

2.2.1 Ý tưởng công nghệ 42

2.2.2 Sơ đồ và qui trình triển khai 42

2.3 Giải pháp sử dụng Internet 45

2.3.1 Ý tưởng công nghệ 45

2.3.2 Sơ đồ và qui trình triển khai 45

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN SỐ CẢI CHÍNH 52

3.1 Khái quát về các khu vực thử nghiệm 52

3.1.1 Khu thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh 52 3.1.2 Khu thử nghiệm tạ xã Ninh Gia, huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng 53

3.2 Kết quả thử nghiệm 55

3.2.1 Kết quả thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè 55

3.2.2 Kết quả thử nghiệm tại khu đo xã Ninh Gia 60

3.3 Phân tích kết quả thử nghiệm và đánh giá khả năng ứng dụng 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Những năm gần đây, việc thành lập bản đồ điạ chính tỷ lệ lớn bằng công nghệ đo động thời gian thực RTK, một ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS,

đã trở lên phổ biến 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, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, cho kết quả ngay ngoài thực địa, 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 Ngoài ra, khi lập bản đồ bằng công nghệ RTK, người đo dễ dàng kiểm soát được chất lượng đo đạc ngoài thực địa

RTK là một công nghệ đo đạc bản đồ mới, có độ chính xác cao đạt tới một vài cm Để có được điều này trước khi tiến hành đo đạc ngoài thực địa, người ta phải xem xét tính toán đến các yếu tố như: loại máy thu, các nguồn sai số và biện pháp khắc phục, và một yếu tố có thể coi là chìa khóa thành công khi đo RTK là phương án truyền số cải chính RTK từ trạm base đến các máy rover

Hiện nay, tại Việt Nam việc truyền số cải chính RTK thường sử dụng bộ phát sóng radio Sử dụng radio có ưu điểm là tính ổn định cao, chi phí thấp nhưng hạn chế lớn nhất của nó là phạm vi hoạt động hạn chế, và chỉ có thể hoạt động tốt ở những khu vực có địa hình đơn giản hoặc những nơi có độ dốc địa hình thấp, khoảng 3 – 5% Do vậy, để khắc phục các nhược điểm này và làm tăng hiệu quả đo RTK, việc nghiên cứu các giải pháp khác truyền số cải chính RTK là rất cần thiết, làm cơ sở khoa học triển khai ứng dụng ở những khu vực, địa hình khác nhau của nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính nhằm nâng cao hiệu quả đo RTK trên cơ sở phân tích kết quả thử nghiệm tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh

và tỉnh Lâm Đồng

- Đánh giá khả năng ứng dụng trong sản xuất thực tế của một số giải pháp truyền số cải chính RTK

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS, công nghệ RTK, các giải pháp truyền truyền dữ liệu qua radio, điện thoại, internet

- Đề xuất lựa chọn một số giải pháp truyền số cải chính RTK nhằm nâng cao hiệu quả đo đạc địa chính bằng công nghệ RTK: Giải pháp lặp radio, giải pháp sử dụng điện thoại di động và giải pháp sử dụng internet

- Đánh giá phạm vi, địa bàn áp dụng và hiệu quả kinh tế của các giải pháp nêu trên

4 Phương pháp nghiên cứu

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

- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: tìm hiểu cơ sở khoa học về công nghệ GPS, RTK, truyền data, Nghiên cứu tham khảo kế thừa kết quả của các nghiên cứu liên quan đến đo GPS nói chung và RTK nói riêng

- Phương pháp so sánh: so sánh kết quả đo RTK bằng các giải pháp truyền số cải chính khác nhau với kết quả đo bằng các phương pháp khác để đánh giá độ chính xác kết quả thử nghiệm

- Phương pháp chuyên gia: tham khảo kinh nghiệm thực tiễn của các chuyên gia nghiên cứu trong lĩnh vực GPS

- Phương pháp trắc địa vệ tinh: cung cấp dữ liệu về toạ độ, vị trí các đối tượng với độ chính xác cao

5 Kết quả đạt được

Đưa ra một số giải pháp truyền số cải chính RTK để nâng cao hiệu quả đo đạc địa chính bằng công nghệ RTK Đồng thời đánh giá được phạm vi, địa điểm áp dụng và hiệu quả kinh tế của từng giải pháp

6 Ý nghĩa của đề tài

- Các kết quả của đề tài là sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất lựa chọn phương án truyền số cải chính RTK khi đo đạc lập bản đồ bằng công nghệ RTK

- Góp phần nâng cao và hoàn thiện trong công tác đo đạc lập bản đồ bằng công nghệ RTK

7 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ đo GPS động thời gian thực trong đo đạc địa chính

Chương 2: Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính trong đo đạc địa chính bằng RTK

Chương 3: Thử nghiệm thực tế và đánh giá khả năng ứng của các giải pháp

truyền số cải chính

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 và giá trị nhất của hệ TRANSIT

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

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai

ra đời có tên là NAVSTAR - GPS gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm khoảng 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 về chất rõ rệt so với hệ TRANSIT Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục

Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS - 2, giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm

1978 ÷ 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số

vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II

(Block II) bắt đầu vào năm 1989 Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh này đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ quỹ đạo 11h58' (tức là một nữa ngày đêm sao) ở độ cao xấp xỉ 20.200 km Loại vệ tinh

bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II bắt đầu được phóng vào năm 1995 Cho đến nay, đang có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt

động trên quỹ đạo [2]

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của Nga, hệ thống GALILEO của Liên minh Châu Âu, hệ thống COMPASS (Beidou) của Trung Quốc, và hệ thống IRNSS của Ấn Độ Hiện nay, người ta thường gọi các hệ thống trên là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS

Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90 Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu, sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau Những năm sau đó, công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0", thành lập hệ quy chiếu Quốc gia VN-2000 cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh

thổ (gần 30.000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác [3]

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong không gian

Trạm điều khiển chính có nhiệm vụ xử lý số liệu thu được từ các trạm khác

để tính toán lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh Đây cũng là trạm ra lệnh điều khiển toàn hệ thống

Hình 1.3: Các trạm điều khiển

Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa không gian

Mỹ đã được thêm vào phần điều khiển của GPS nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 Với 11 trạm điều khiển, mỗi một vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy

từ ít nhất là 2 trạm điều khiển → 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 cơ quan này được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy từ tối thiểu 3 trạm điều khiển [1]

1.1.2.2 Phần không gian

a Chòm vệ tinh GPS:

Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20.200km, chu kỳ

12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên Trái đất đều

có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần

số cao L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz Loại sóng này phát trên cơ sở điều biến bởi dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1 Mã này được gọi tên là mã P (Precise) Bên cạnh mã P, sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1 Mã P và C/A được phát với tần số tương ứng 10,23MHz và 1,023MHz Ngoài 2

mã trên, vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao

Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khoẻ" Hai trạng thái của vệ tinh này được xác định bởi các trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe"

b Cấu trúc tín hiệu GPS:

Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42MHz và tần số 1227,60MHz Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau Mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các

số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10 = 1,023MHz Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mini giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới tên là mã P (Precise-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23MHz Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những

vệ tinh khác nhau Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P Tuy nhiên, phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã

P (hoặc mã Y)

Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (mã C/A và mã P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã P hoặc mã Y Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực [5]

1.1.2.3 Phần người sử dụng

Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử

lý tính toán số liệu Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như: xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo,

Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ

Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

- Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên tần số L1

- Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu tín hiệu trên hai tần số L1, L2

Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

- Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng trong trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Ví dụ như: Trimble 4800, 5700, 5800, R4, R5, R10, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system GS08, 10, 14,…

- Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn giản dễ mang vác và dễ sử dụng, dùng cho thu thập dữ liệu phục vụ xây dựng bản

đồ tỷ lệ trung bình và dữ liệu cho các hệ thống GIS Ví dụ như: Trimble Explorer XT, Ashtech Reliance

Geo Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch,… Ví dụ như: Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan 1.1.3 Các trị đo GPS

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới Có 2 nhóm trị đo, bao gồm:

+ Nhóm trị đo Code:

Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách

từ máy thu đến từng vệ tinh

1.1.3.1 Trị đo Code (C/A Code và P.Code)

Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát đi từ vệ tinh, so sánh với

tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu truyền từ

vệ tinh tới máy thu và từ đó, khoảng cách D từ máy thu đến các vệ tinh được xác

định bằng công thức [2]:

D= c xt + c x dt+ d (1.1) Trong đó:

- c: vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299,792,458 m/s

- t: thời gian truyền tín hiệu

- dt: lượng hiệu chỉnh do sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh

- d: lượng hiệu chỉnh do môi trường truyền tín hiệu

Việc xác định thời gian truyền tín hiệu theo trị đo code được mô tả như hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS

Độ chính xác định vị với trị đo code có thể đạt khoảng 10 - 30m Như vậy, các

trị đo này có thể sử dụng trong việc dẫn đường, đo đạc những đối tượng yêu cầu độ

chính xác thấp

1.1.3.2 Trị đo pha sóng tải (phase observable)

Trị đo pha song tải chính là phần lẻ của bước sóng bằng cách đo độ di pha

(độ lệch pha) giữa sóng tải thu được và sóng tải do máy thu tạo ra

Hình 1.5: Đo pha sóng tải

Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy

thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

Chúng ta có công thức [2]:

S = N x l + j x l (1.2) Trong đó:

j(t) = fs(ts ) - fp(t) + Ns

p (1.4) Trong đó:

- fs(ts ): pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu

- fp(t): pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu

dưới dạng:

j(t) = - (f/c) x Ss

p - ap(t) + bs(t) + gs

p (1.6) Trong đó:

ap(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là

số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)

bs(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số

hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)

gs

p(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây

ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là fs(to) - fp(to) + Nsp, trong đó to là thời điểm

bắt đầu đo)

Công thức (1.6) là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo

tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao

cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p [2]

Giải pháp đo pha cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị đo

Code, nhưng cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định

số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh (hay còn gọi là số nguyên

đa trị N) Khi một máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó, nó sẽ đếm số

bước sóng trôi qua sau thời điểm đó Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián

đoạn do sự cố trượt chu kỳ (cycle slip) xảy ra, số nguyên đa trị bị thay đổi Sự trượt

chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động nhanh hoặc tác động

mạnh của tầng ion, Sự trượt chu kỳ phải được loại trừ để xác định số nguyên lần

bước sóng

Để xác định số nguyên đa trị N có nhiều phương pháp [7]:

1 Phương pháp hình học dựa trên sự thay đổi hình học vệ tinh trong khi đo

để giải số nguyên lần bước sóng đồng thời với tọa độ tâm anten

2 So sánh (kết hợp) trị đo pha và trị đo code

3 Trị đo dải rộng (hiệu tần số L1 và L2) cho bước sóng 86,2cm để xác định

số nguyên đa trị nhưng kém chính xác hơn

4 Sử dụng sai phân bậc ba

5 Phương pháp hàm số ambiguity và kỹ thuật OTF xác định nhanh số đa trị trong khi anten di động ngay sau khi bị mất tín hiệu vệ tinh Phương pháp này được

áp dụng với máy thu hai tần số

1.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ, người ta chia thành 2 phương thức định vị cơ bản: định vị tuyệt đối và định vị tương đối

1.1.4.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn)

Khác biệt hẳn so với các phương pháp đo đạc truyền thống, việc định vị một điểm nào đó không cần đến các trị đo góc, cạnh thông thường mà sử dụng các trị đo code và trị đo pha nêu trên Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh được xác định và toạ độ của điểm đo được xác định trong hệ toạ độ GPS Nguyên lý định vị điểm đặt anten máy thu được mô tả như trên hình 1.6

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý định vị tuyệt đối

Đây là bài toán giao hội cạnh trong không gian khi biết toạ độ của các vệ tinh

và khoảng cách tương ứng đến máy thu Về mặt hình học, có thể mô tả phép định vị

tại một thời điểm như sau [1]:

- Nếu có 1 vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vị trí vệ

tinh, có bán kính bằng khoảng cách đo được từ vệ tinh đó đến máy thu

- Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu thứ 2 có tâm là vệ tinh

thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu Kết hợp trị đo đến 2

vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ nằm trên giao tuyến của của 2 mặt cầu trong không

gian - đó là 1 đường tròn

- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của mặt

cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên Kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không

gian

Hình 1.7: Sơ đồ xác định tọa độ một điểm từ 3 vệ tinh

- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 nghiệm duy nhất đó chính

là vị trí của điểm đo trong không gian

Như vậy ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo trong

không gian 3 chiều Biểu thức toán học của việc định vị như sau:

D = (Xs - Xr)2+ (Ys - Yr)2 + (Zs - Zr)2 + c(� t - � T) + �atm + � (1.7)

Trong đó:

- D: khoảng đo được từ vệ tinh đến máy thu

- Xs,Ys,Zs: toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh

- Xr Yr Zr: toạ độ không gian 3 chiều của anten máy thu

- c: tốc độ truyền sóng (tốc độ ánh sáng)

- � t: độ lệch tuyệt đối đồng hồ máy thu

- � T: độ lệch tuyệt đối đồng hồ vệ tinh

- �atm: sai số do khí quyển

- �: tổng hợp các sai số khác

Với 1 vệ tinh có thể thành lập được 1 phương trình kiểu (1.7) Với 3 ẩn số Xr,

Yr, Zr là toạ độ điểm cần đo và ẩn số thứ 4 là độ lệch tương đối đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu (� t - � T) thì tại mỗi điểm đo cần thu tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh khỏe thì toạ độ điểm đo mới xác định được khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn

4 và số lần thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm đo được giải chính xác hơn theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

1.1.4.2 Định vị tương đối

Như ta đã biết, do ảnh hưởng của sai số vị trí của các vệ tinh trên quỹ đạo, do sai số đồng hồ và các yếu tố môi trường truyền sóng khác dẫn đến độ chính xác định vị điểm đơn đạt từ 100m đến 30m trong hệ toạ độ WGS 84 Ngay cả khi Chính phủ Mỹ loại bỏ nhiễu SA thì việc định vị tuyệt đối chính xác nhất cũng chỉ đạt tới con số vài chục mét Với độ chính xác này không thể áp dụng cho công tác trắc địa Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao là định vị tương đối Sự khác biệt của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời và kết quả của phương pháp không phải là toạ độ điểm trong hệ toạ độ GPS mà là véc

tơ không gian (baseline vector) nối 2 điểm đặt máy thu hay nói chính xác là các

thành phần số gia toạ độ �X, �Y, �Z (hoặc �B, �L, �H) của 2 điểm trong hệ toạ độ WGS-84 Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong trắc địa

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối

Việc định vị tương đối sử dụng trị đo pha sóng tải Để đạt được độ chính xác

cao trong định vị tương đối nguời ta tạo ra sai phân Nguyên tắc của việc này là dựa

trên sự đồng ảnh hưởng của các đại lượng, nguồn sai số đến toạ độ của điểm cần

xác định trong bài toán định vị tuyệt đối như sai số đồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số

toạ độ vệ tinh, ảnh hưởng của môi trường, Phương pháp ở đây là lấy hiệu trị đo

trực tiếp để tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số

Trị đo này loại trừ được sai số đồng hồ vệ tinh bởi giá trị này là như nhau đối

với cả 2 máy thu

Hình 1.9: Sơ đồ mô tả sai phân bậc một

- Sai phân bậc hai:

Nếu lấy hiệu số 2 sai phân bậc một (2 trạm thu tín hiệu 2 vệ tinh j, k đồng

thời):

�2�j,k(ti) = ��k(ti) - ��j(ti) (1.9) gọi là sai phân bậc hai vào thời điểm ti Đây là trị đo chuẩn trong đo GPS tương đối

Với trị đo này, sai số vị trí vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, đồng hồ vệ tinh được

loại trừ

Hình 1.10: Sơ đồ mô tả sai phân bậc hai

- Sai phân bậc ba:

Nếu xét 2 trạm tiến hành thu tín hiệu vệ tinh j, k vào 2 thời điểm ti và ti+1 thì

hiệu sai phân bậc hai:

�3�j,k

= �2�j,k(ti+1) - �2�j,k(ti) (1.10) gọi là sai phân bậc ba Trị đo này không phụ thuộc vào số nguyên lần bước sóng, do

vậy được trị đo ứng dụng để xử lý sự trượt chu kỳ

Việc xử lý các trị đo sai phân cho phép xác định các giá trị thành phần của

véc tơ không gian nối 2 điểm đặt máy thu với độ chính xác cao (cỡ cm) Bài toán

định vị này được áp dụng trong trắc địa phục vụ việc đo lưới khống chế và các công

tác đo đạc khác

1.1.5 Các nguồn sai số trong đo GPS

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống

GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như sau [10]:

1.1.5.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Trong thông tri định vị của tín hiệu mỗi vệ tinh có file toạ độ quỹ đạo của vệ tinh đó ở mỗi thời điểm Toạ độ này do trạm điều khiển mặt đất tính toán, chưa tính đến tình hình vận hành cụ thể nên có sai số Do sai số này có thể nhận thấy toạ độ trắc địa và độ cao ellipsoid của một điểm xác định ở các nhóm đo khác nhau thường chênh nhau, có khi đến hàng chục mét Sai số này có thể khắc phục bằng nhiều biện pháp kỹ thuật như sử dụng kỹ thuật định vị tương đối (relative positioning), định vị

vi phân (differential positioning), dùng chênh cao để tính cao độ hoặc lập lưới định

vị tuyệt đối chính xác cao để cải chính toạ độ quỹ đạo thu được như đã được thực hiện ở Canada, Úc Ngoài ra có thể liên hệ với trạm điều hành mặt đất Colorado Springs hoặc Cục Trắc địa Hoa Kỳ để được cấp toạ độ quỹ đạo chính xác của vệ tinh [1] Tuy nhiên, biện pháp này chỉ áp dụng để xử lý sau khi đo

Hình 1.11: Các thành phần của độ lệch quỹ đạo vệ tinh

1.1.5.2 Ảnh hưởng của khí quyển

Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20.200km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Tốc độ lan truyền tín hiệu tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng

kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau Chính vì thế, để đảm bảo độ chính xác đo RTK người ta sử dụng các máy thu GPS 2 tần số

Tầng đối lưu cách mặt đất từ 20km trở xuống Khi qua tầng đối lưu tốc độ truyền sóng biến động phức tạp hơn tuỳ thuộc vào tình hình mặt đất (như sông hồ,

sa mạc, ) và thời tiết Trong thông báo định vị của tín hiệu vệ tinh có tham số của

mô hình số cải chính ảnh hưởng của tầng đối lưu đến độ dài cạnh Trong máy thu GPS chính xác có cài phần mềm để tính số cải chính này

Ngoài ra có thể giảm bớt ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu bằng cách đo đêm, khi mà hai lớp khí quyển này tương đối ổn định

Hình 1.12: Tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly và các lớp khí quyển

1.1.5.3 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips)

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó

Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây

mù nhưng không thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn Do vậy, tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS Khi sử dụng trị đo pha cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên, có trường hợp ngay

cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị Do đó, cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết

và xử lý trượt chu kỳ

1.1.5.4 Độ lệch của đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Theo lý thuyết, đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu phải thống nhất quy

chuẩn về hệ giờ GPS Trong thực tế, có độ chênh giữa các loại đồng hồ này gây ra sai số đo cạnh Để hạn chế sai số đồng hồ vệ tinh có thể sử dụng số cải chính trong thông báo định vị của tín hiệu vệ tinh Cũng có thể dùng nhiều máy thu cùng thu tín hiệu của một vệ tinh rồi dùng hiệu trị đo để xử lý số liệu Tuy nhiên, muốn khử sai

số đồng hồ vệ tinh chủ động và đáng tin cậy hơn phải lập lưới định vị tuyệt đối chính xác cao, dùng trị đo thường xuyên ở những điểm này để tính số cải chính 1.1.5.5 Hiện tượng đa đường truyền (Multipath)

Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà phản xạ từ

bề mặt nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu Như vậy, kết quả đo sẽ có xu hướng tăng lên Để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150 Việc chọn ngưỡng góc cao 150 này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng đa tuyến Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khả năng phản xạ gây hiện tượng đa đường truyền như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dây điện, mái nhà kim loại, Hầu hết anten của máy thu GPS được gắn bản (mâm anten) dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên [1]

Hình 1.13: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền

1.1.5.6 Sự suy giảm độ chính xác do đồ hình các vệ tinh (DOPs)

Vấn đề được đặt ra giống như khi thực hiện phép giao hội truyền thống Cạnh

từ ít nhất 4 vệ tinh đến điểm đặt máy phải giao nhau sao cho điểm này có thể được xác định một cách đáng tin cậy nhất Đó là khi các vệ tinh được bố trí đều trên bầu

trời xung quanh điểm cần xác định Vệ tinh tập trung ở vùng thiên đỉnh của máy thu

hoặc phân tán gần đường chân trời có thể dẫn đến khả năng điểm giao hội nhập

nhằng trên một đoạn thẳng Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố này được gọi là độ

suy giảm của độ chính xác DOP DOP có giá trị từ 1 trở lên, cũng có thể gọi là

cường độ phân bố vệ tinh Trị DOP càng cao, độ suy giảm càng lớn, độ chính xác

càng thấp Ảnh hưởng của DOP đến độ chính xác định vị được biễu diễn trong mối

quan hệ dưới đây:

� = �0x DOP (1.11) Trong đó:

��� là sai số định vị

��0 là sai số của trị đo

Sự phân bố vệ tinh ảnh hưởng khác nhau đến độ chính xác mặt phẳng, độ cao

và thời gian, bởi vậy có các loại DOP khác nhau cho vị trí không gian PDOP, cho vị

trí mặt phẳng HDOP, cho độ cao VDOP và cho thời gian TDOP Giá trị DOP sẽ

được máy thu tính cụ thể cho từng điểm đo hoặc ước lượng trước bằng các phần

mềm chuyên dụng

Số lượng vệ tinh có ảnh hưởng lớn tới chỉ số DOP Ngày nay, với việc đo kết

hợp cả 2 hệ thống GPS và GLONASS, số lượng vệ tinh đã đủ lớn để đảm bảo tại

bất cứ nơi đâu trên Trái đất đều có chỉ số DOP nhỏ hơn 2 [9]

1.1.5.7 Các sai số do người đo

Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc

điểm đo theo đường dây dọi Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến

tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác Đo chiều cao anten không đúng

thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS Ngay cả khi xác định toạ độ phẳng,

đo chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số về độ cao sẽ

lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại

1.1.6 Các kỹ thuật đo pha GPS

1.1.6.1 Đo GPS tĩnh (Static)

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase sóng tải Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên

Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị đo

dư và giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm, dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa

1.1.6.2 Đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn Gọi là đo nhanh - tăng tốc độ đo là do giải nhanh được số nguyên đa trị Phương pháp này yêu cầu đo pha của sóng tải và đo code Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn Thời gian đo tĩnh nhanh, thay đổi từ 8' ÷ 30' phụ thuộc vào số lượng vệ tinh, đồ hình vệ tinh, cũng như loại máy thu Số vệ tinh nhiều hơn 4 bảo đảm trị đo dư với đồ hình vệ tinh phân

bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số nguyên đa trị và giảm thời gian định vị

Hiện nay, các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần số L1 - C/A Code Ví dụ như hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu 4600LS (tần số L1), và 4800 (tần số L1, L2),

Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo - xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng:

- Đo GPS động thời gian thực (RTK)

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

số cải chính RTK liên tục từ trạm base đến các trạm rover Do phải dùng đến sóng radio truyền số cải chính nên phạm vi hoạt động của máy di động thường bị hạn chế Ngoài việc đo toạ độ điểm khống chế hay đo chi tiết, phương pháp này còn có tính năng hỗ trợ cắm điểm có toạ độ thiết kế trước ra thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao

- Đo GPS động xử lý sau (PPK)

Đây là phương pháp đo sử dụng máy đo giống như phương pháp RTK nhưng không sử dụng radio để truyền số cải chính Toạ độ của các điểm đo chỉ có được sau khi xử lý số liệu trong phòng Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiến hành việc khởi đo xác định số nguyên đa trị bằng cách đo tĩnh trên 1 đoạn thẳng, sau đó mới đến đo tại các điểm cần xác định toạ độ với thời gian ngắn, tối thiểu đo

2 trị đo (2 epoch) Trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo, máy rover cần phải thu tín hiệu liên tục đến tối thiểu 4 vệ tinh

Nếu trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo, tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất Do đó, phải khởi đo lại bằng cách: máy rover quay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới

Với kỹ thuật này, máy rover có năng suất lao động cao hơn nhiều so với đo tĩnh, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế cấp thấp, các điểm khống chế ảnh, đo chi tiết bản đồ địa hình

1.1.6.4 Đo GPS cải chính phân sai (DGPS)

Là phương pháp đo GPS sử dụng kỹ thuật định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code có độ chính xác đo toạ độ 0,5 - 3m Nội dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo, trong đó 1 trạm base và 1 trạm rover Trên cơ sở độ lệch về toạ độ (tọa độ thu được và tọa độ biết trước) tại trạm base để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các rover theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm

base và trạm rover phải thu số liệu đồng thời, cùng số vệ tinh Có hai phương pháp cải chính phân sai [2]:

- Cải chính vào cạnh: sử dụng cạnh tính theo trị đo code của trạm base tới từng vệ tinh và tìm độ lệch so với khoảng cách thực của nó trên cơ sở toạ độ 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 toạ độ cho trạm rover

- Cải chính vào toạ độ: cũng tương tự với việc cải chính vào cạnh như trên, ở đây sẽ xác định được độ lệch về toạ độ giữa toạ độ tính được của trạm base và toạ

độ thực của nó do ảnh hưởng của các nguồn sai số Các độ lệch đó được cải chính tương ứng vào toạ độ của trạm rover

1.2 Công nghệ đo động thời gian thực

Đo động thời gian thực RTK là một trong các ứng dụng của hệ thống định vị

vệ tinh GPS RTK là phương pháp định vị tương đối sử dụng trị đo pha song tải Phương pháp định vị này sử dụng một trạm base và một hay nhiều trạm rover thu tín hiệu vệ tinh đồng thời Trạm base thu tín hiệu từ các vệ tinh, tính toán, so sánh với số liệu đã biết và đưa ra các số cải chính RTK (∆X, ∆Y, ∆Z), sau đó truyền chúng tới các trạm rover Trạm rover cũng thu tín hiệu từ các vệ tinh và số cải chính RTK từ trạm base để tính toán ra vị trí của nó

Máy thu phục vụ cho đo RTK là máy GPS hai tần số, được thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển đo đạc tại thực địa Ngoài chức năng như một máy thu thông thường, máy thu loại này còn có các cổng kết nối với thiết bị ngoại vi như thiết bị điều khiển (Survey Controller), hệ thống radio truyền số hiệu chỉnh Hiện nay, trên thị trường có các loại máy thu phù hợp cho đo RTK như:

- Leica GS08 plus, GS10, GS14 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2);

- Trimble 5700, 5800, R4, R6, R10 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2);

- Hi-Tagert V30 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2)

Hình 1.14: Đo RTK sử dụng radio phát số cải chính

Ngày nay, RTK được sử dụng phổ biến trong đo đạc địa chính Độ chính xác của phương pháp đo này có thể đạt tới một vài cm Để thu được kết qua đo đạc như mong muốn, người sử dụng phải tính toán đến các yếu tố như: loại máy thu, hiệu chỉnh thiết bị, sai số do khí quyển, sai số do nhiễu tín hiệu, sai số do đồ hình vệ tinh,… Ngoài ra, còn phải tính toán các yếu tố khác như: cài đặt máy base, rover, truyền số cải chính RTK, thời gian đo, phương pháp khởi đo,…

1.2.1 Cài đặt trạm base

Cài đặt trạm base là một công việc quan trọng ban đầu trong đo RTK Thông thường máy thu tại trạm base thường được đặt lên chân máy nhưng sẽ là lý tưởng nếu đặt lên trụ sắt có dọi tâm cưỡng bức Người sử dụng có thể xem xét các tiêu chí sau để thiết lập trạm base [10]:

- Tọa độ và độ chính xác của điểm đặt trạm base có phù hợp với các yêu cầu của dự án?

- Điểm đặt trạm base có ổn định trong suốt quá trình đo đạc?

- Điểm đặt trạm base có đủ thông thoáng, có thu được ít nhất 4 vệ tinh?

- Điểm đặt trạm base có an toàn hay phải cần người giám sát?

- Nguồn điện cung cấp cho thiết bị?

Hình 1.15: Lựa chọn điểm đăt máy base

1.2.2 Cài đặt máy rover

Trước khi đo RTK người ta phải tiến hành cài đặt các thông số cho các máy rover để có thể đạt được độ chính xác theo yêu cầu đã đề ra Máy rover được thiết

kế gọn, nhẹ để phù hợp với việc di chuyển và thường được gắn trên sào đo Tùy thuộc vào địa vật xung quanh người ta có thể chọn sào đo dài từ 1-5m Các yếu tố cần phải cài đặt cho máy rover là: ngưỡng chỉ số PDOP, góc ngưỡng, số vệ tinh thu tối thiểu, kiểu lời giải, chất lượng đo

1.2.2.1 Cài đặt ngưỡng chỉ số PDOP

Như ta đã biết, định vị GPS là việc giải bài toán giao hội cạnh trong không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu Kết quả giao hội đạt tốt nhất khi có sự phân bố hình học cân đối các vệ tinh trên bầu trời xung quanh điểm đo tức là chỉ số PDOP nhỏ Giá trị ngưỡng PDOP lớn nhất nên cài đặt trong máy thu là 2 - 3

1.2.2.2 Cài đặt góc ngưỡng

Độ cao của vệ tinh được tính bằng góc được tạo ra giữa đường chân trời, máy thu, và vệ tinh Máy thu sẽ không dừng thu tín hiệu vệ tinh nếu độ cao vệ tinh nhỏ hơn giá trị góc ngưỡng cài đặt trong máy thu Giá trị này theo mặc định là 100

và tốt nhất nên lớn hơn 150 Tăng góc ngưỡng sẽ làm giảm sai số do đa đường

truyền Tăng góc ngưỡng lớn hơn 150 sẽ làm giảm số lượng các vệ tinh nhưng lại có thể làm giảm PDOP xuống giá trị mong muốn vì sẽ loại bỏ những vệ tinh có tín hiệu kém

Hình 1.16: Sơ đồ xác định góc ngưỡng1.2.2.3 Cài đặt số vệ tinh tối thiểu

Bằng thực tế chỉ ra rằng số vệ tinh càng nhiều thì thời gian đo tại một điểm càng giảm Khi máy thu GPS thu được cả hai tín hiệu vệ tinh GPS và GLONASS thì số vệ tinh sẽ tăng lên, độ chính xác đo RTK sẽ chính xác hơn [4] 5 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cho đo RTK nếu chỉ thu tín hiệu GPS, 6 vệ tinh khi thu đồng thời

cả hai tín hiệu GPS và GLONASS Việc cài đặt số vệ tinh tối thiểu lớn sẽ giúp việc xác định số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh (số nguyên đa trị N) nhanh chóng hơn, đáng tin cậy hơn Điều này đồng nghĩa với việc đo đạc sẽ đạt chất lượng tốt hơn

1.2.2.4 Kiểu lời giải RTK

Một yếu tố khác phải cài đặt trong máy rover là lời giải RTK Lời giải FIXED được khuyến cáo dùng khi đo RTK vì số nguyên đa trị N đã được xác định làm cho kết quả đo chính xác, tin cậy Lời giải FLOAT không nên dùng trong đo RTK bởi vì số nguyên đa trị N chưa được xác định, tức là kết quả đo thiếu tin cậy 1.2.2.5 Cài đặt giá trị QC

Nhiều loại máy GPS cho phép người sử dụng đặt giá trị QC tọa độ và độ cao Những giá trị này được máy rover tính toán và đưa ra những chỉ số về độ chính xác

của phép đo Thông thường người ta đặt QC tọa độ và độ cao là 1 cm đối với điểm khống chế, và 2 - 3 cm đối với điểm đo chi tiết [10]

1.2.3 Khởi đo RTK

Là công việc bắt buộc phải làm khi sử dụng các phương pháp đo động Đặc điểm chính để việc đo RTK đạt được độ chính xác cỡ cm chính là việc thu được tín hiệu sóng mang Mặc dù tín hiệu sóng mang có độ chính xác cao nhưng nó lại có nhiều thông tin chưa xác định được, chúng được gọi là nhiễu số nguyên đa trị hoặc nhiễu pha Máy rover cần phải giải quyết vấn đề này bằng việc khởi đo mỗi khi bật máy và tại các thời điểm tín hiệu vệ tinh bị ngắt quãng Kết quả của khởi đo là xác định được số nguyên chu kỳ trong phương trình trị đo pha sai phân bậc hai (các trị

đo pha sai phân bậc hai hay được sử dụng nhất trong tính toán các cạnh baseline) Các phương pháp khởi đo phổ biến hiện nay gồm:

1.2.3.1 Khởi đo OTF

Máy thu có thể tự động khởi đo nếu như cả máy cố định và máy di động đều thu được tín hiệu từ ít nhất là 5 vệ tinh, quá trình tự động khởi đo này được gọi bằng thuật ngữ OTF Thời gian khởi đo kéo dài từ vài giây cho đến một vài phút Trong khi máy đang tiến hành khởi đo thì số liệu thu được ở dạng FLOAT, độ chính xác chỉ đạt ở mức khoảng dm, khi việc khởi đo hoàn thành thì số liệu đo thu được ở dạng FIXED, độ chính xác đạt mức cm Nếu như sau khi khởi đo máy thu liên tục bắt được ít nhất 4 vệ tinh thì sẽ duy trì được chế độ FIXED

Thời gian khởi đo phụ thuộc vào chiều dài cạnh đo, nhiễu đa đường truyền

và các sai số gây ra bởi khí quyển Nên tránh đặt anten gần những vật phản xạ ánh sáng, giữ khoảng cách và độ cao giữa máy base và máy rover càng nhỏ càng tốt [8] 1.2.3.2 Khởi đo trên một cạnh baseline đã biết

Máy base đặt ở điểm đã biết tọa độ (và sẽ tiếp tục đặt ở đo cho đến khi ca đo kết thúc) Máy rover đặt tại một điểm đã biết hoặc sẽ biết tọa độ Từ tọa độ đã biết của 2 máy thu và số liệu đo đạc trong quá trình khởi đo, phần mềm xử lý số liệu tính được số nguyên chu kỳ của trị đo sai phân bậc hai

Thời gian khởi đo kéo dài khoảng từ 30s trở lên, và có thể thực hiện theo 1 trong 3 cách sau [1]:

Reoccupation: Nếu trong quá trình đo động bị trượt chu kỳ thì quay lại một

điểm đo trước đó để khởi đo lại theo cách thức giống như Know point Baseline từ trạm cố định tới điểm quay lại để khởi đo phải có lời giải FIXED, nếu không thì khởi đo sẽ không có kết quả

1.2.4 Truyền tín hiệu giữa máy base và rover

Yếu tố quan trọng đảm bảo thành công của đo RTK là truyền số cải chính RTK từ máy base đến các máy rover Yêu cầu đặt ra là việc truyền số cải chính phải kịp thời, ổn định, nếu không độ chính xác của tọa độ máy rover sẽ bị ảnh hưởng Các yếu tố cần cân nhắc khi lựa chọn thiết bị truyền số liệu [8]:

- Tốc độ thu, phát

- Khoảng cách thu, phát sóng

- Công suất

- Kiểm tra lỗi và sửa lỗi

- Mức tiêu thụ điện năng

- Các định dạng tín hiệu chuẩn

- Đồng bộ RTK

- Độ trễ thời gian RTK