những kiến thức cơ bản về gps động

Hiện nay trong trắc địa đang sử dụng rất nhiềucông nghệ đo khác nhau .Tuỳ vào từng yêu cầu cụ thể củatừng loại công việc mà ngời ta sử dụng các công nghệ đo saocho phù hợp với yêu cầu cụ

Chơng 1:

Những kiến thức cơ bản về đo GPS động

1.1 Giới thiệu chung về công nghệ đo trên mặt đất trong trắc địa hiện nay.

Hiện nay trong trắc địa đang sử dụng rất nhiềucông nghệ đo khác nhau Tuỳ vào từng yêu cầu cụ thể củatừng loại công việc mà ngời ta sử dụng các công nghệ đo saocho phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng công việc Sau đây

em xin trình bày một số công nghệ đo phổ biến trên mặt

đất trong trắc địa hiện nay:

1.1.1:Máy kinh vỹ:

Máy kinh vĩ là dụng cụ để đo góc bằng và đo góc

đứng Ngoài ra, máy kinh vĩ còn dùng để đo dài, đo cao với

độ chính xác thấp hơn so với máy thuỷ chuẩn.Có nhiều cách

để phân loại máy kinh vĩ nhng có hai cách phân loại cơ bảnsau:

Phân loại máy kinh vĩ theo cấu tạo của máy:

Theo nguyên tắc này ngời ta chia ra máy quang cơ, máyquang học, và máy điện tử

1 Máy kinh vĩ quang cơ là các máy chế tạo trớc năm 1950 Từlâu các máy này không còn sử dụng trong sản xuất

2 Máy kinh vĩ quang học đây là các máy sử dụng rộng rãi

tr-ớc năm 1980 và hiện nay vẫn còn sử dụng

3 Máy kinh vĩ điện tử, nhóm máy loại này mới ra đời từnhững năm 1960 trở lại đây Nhng lại là nhóm máy hiện đạinhất và đang thay thế dần các máy quang học Máy kinh vĩ

điện tử dùng để đo góc Máy toàn đạc điện tử vừa dùng để

đo góc vừa dùng để đo cạnh Bàn độ điện tử thay cho bàn

độ thuỷ tinh Giá trị các góc đo và tính hiện lên trên mànhình ghi vào thẻ đo hay sổ đo điện tử Máy có chơng

trình vi xử lý Gần đây còn xuất hiện loại máy thông minh,

tự bắt mục tiêu và thực hiện các thao tác theo 1 chơng trìnhcài đặt trớc

Phân loại theo độ chính xác:Ngời ta chia máy kinh vỹ ralàm ba loại:

1 Máy kinh vĩ chính xác cao cho sai số trung phơng đo gócmột vòng trong phòng thí nghiệm nhỏ hơn 1”

2 Máy kinh vĩ chính xác vừa trung bình, cho sai số đo góc

từ 1”ữ 10”

3 Máy kỹ thuật gồm các máy cho sai số đo góc lớn hơn 10”.Máy kinh vĩ có độ chính xác cao dùng để đo góc trong lớitam giác hạng I, II nhà nớc Máy đo góc chính xác dùng để đogóc trong lới tam giác hạng III, IV Máy kinh vĩ kỹ thuật dùngvào việc đo vẽ chi tiết và các công tác kỹ thuật phổ thôngcủa trắc địa

1.1.2 Máy thuỷ chuẩn.

Máy thuỷ chuẩn là dụng cụ trắc địa tạo ra trục ngắmnằm ngang, thoả mãn nguyên lí đo cao hình học.Các máythuỷ chuẩn thờng đợc dùng để đo độ cao của các điểm trênmặt đất.Trong họ máy thuỷ chuẩn có rất nhiều loại máy cótính năng khác nhau Trong quá trình phát triển hiện nay đã

và đang hoạt động trong sản xuất 4 loại máy chính:

1 Máy thuỷ chuẩn có ống thuỷ dài chính xác

2 Máy thuỷ chuẩn tự cân bằng

3 Máy thuỷ chuẩn điện tử

4. Máy thuỷ chuẩn laser

Các loại máy nói trên đều có đặc điểm chung:

+ ống ngắm có khả năng quang học tốt, thể hiện độ

phóng đại lớn

và độ phân giải cao

+ Kết cấu của máy vững chắc, ổn định, thể hiện ở cấutạo các chi tiết và vật liệu máy, tạo cho máy dễ thao tác

và ít chịu ảnh hởng của các yếu tố môi trờng

+ Có bộ phận đọc số quang học hoặc điện tử, đọc sốtrực tiếp đến 0,1mm và ớc đọc đến 0,01mm

Ngoài các đặc điểm chung, mỗi nhóm máy lại có đặc điểmriêng

1 Máy thuỷ chuẩn có ống thuỷ dài chính xác

Nhóm máy này có bộ phận quan trọng là ống thuỷ dài kèmtheo hệ lăng kính chuyển ảnh bọt thuỷ vào trong thị trờngống ngắm.Máy có vít nghiêng để đa bọt thuỷ về vị tríthăng bằng và lúc này là lúc đọc số do chênh cao.Ví dụ nhcác loại máy Ni004 và N3

2 Máy thuỷ chuẩn tự cân bằng

Hiệu suất của công tác đo thuỷ chuẩn phụ thuộc khá nhiềuvào việc cân máy.Để cải thiện vấn đề này ngời ta chế tạo ramáy thuỷ chuẩn tự cân bằng.Thực chất là máy có bộ phận bùtrừ tia ngắm Sau khi cân máy chính xác, nếu tia ngắm củamáy còn nghiêng nhỏ hơn cỡ 12 phút, bộ phận bù trừ làm việccho ta số đọc trên mia tơng đơng với số đọc khi tia ngắmnằm ngang tuyệt đối.Ví dụ nh máy:Ni002,Ni007

3 Máy thuỷ chuẩn điện tử

Máy thuỷ chuẩn điện tử và kỹ thuật đo thuỷ chuẩn số hoá là

kỹ thuật mới nhất trong việc xác định chênh cao giữa các

điểm trên mặt đất Với máy và mia có cấu tạo đặc biệt sovới hai nhóm máy kể trên, kết thúc một phép đo, với một

động tác bấm phím, trên màn hình hiện lên số đọc cần có

máy:NA2002,NA3003

4 Máy thuỷ chuẩn laser

Máy thuỷ chuẩn laser dùng tia laser để ngắm mia đakhoảng ngắm vợt quy định 50 ữ 70m của máy thuỷ chuẩndùng ống thuỷ và máy thuỷ chuẩn điện tử

Có thể đo đạc tính toán ở những nơi những vùng có địahình phức tạp, hiệu qủa kinh tế cao, thời gian ngoại nghiệp

ít, có thể đo đạc cả một khu vực rộng lớn trong khoảng thờigian ngắn Tuy nhiên phơng pháp cũng có một số hạn chế: Độ chính xác đo đạc không cao bằng các phơng phápkhác Khối lợng công việc nội nghiệp nhiều Đòi hỏi phải cónhững máy móc đo đạc nội nghiệp tơng đối phức tạp

1.2 Tóm tắt về hệ thống công nghệ GPS.

Công nghệ gps đợc đa vào sử dụng ở việt nam từ năm

1990 từ đó, những ngời làm công tác trắc địa có đợc mộtphơng tiện đo đạc hiện đại chứa đựng nhiều tính năng uviệt so với các phơng tiện truyền thống, mà trớc hết là tronglĩnh vực đo lới khống chế toạ độ Hệ thống này cho phép

đạt độ chính xác cao về vị trí tơng đối giữa các điểmxét, hầu hết rất ít phụ thuộc vào khoảng cách giữa chúng,

bên cạnh đó hệ thống không đòi hỏi thông hớng giữa các

điểm đo, hầu nh không đòi hỏi về điều kiện thời tiết vàthời điểm đo, quy trình đo đạc đơn giản, thời gian đongắn có thể nói, công nghệ GPS đã tạo ra một cuộc cáchmạng thực sự trong lĩnh vực trắc địa

Vào khoảng giữa những năm 60 Bộ quốc phòng Mỹkhuyến khích xây dựng một hệ thống đạo hàng vệ tinhhoàn hảo hơn so với hệ thống TRANSIT ý tởng chính của đề

án do hải quân Mỹ đề đề xuất là sử dụng khoảng cách đo

từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chínhxác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến Đề ánnày có tên là Timation

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là

NAVSTAR GPS (NAVIGATION SATELLITE TIMING AND RANGING GLOBAL POSITIONING SYSTEM) đợc bắt đầu

triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì

Các công trình nghiên cứu tơng tự cũng đợc không quân

Mỹ tiến hành song từ năm 1973 Bộ Quốc Phòng Mỹ quyết

định phối hợp kết quả nghiên cứu của hai chơng trình trêncùng với các kết quả của chơng trình TRANZIT để xây dựng

hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh NAVSTAR GPS

Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định toạ độkhông gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu

vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ và trên đất liền phục vụ cho bộquốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự

Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức chophép sử dụng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học củanhiều nớc đã ra sức phát triển công nghệ GPS để đạt đợc

những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềmnăng to lớn này Hớng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực:

- Chế tạo máy thu tín hiệu

- Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu đáp ứng cho nhiềumục đích

- Thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng trong cácchuyên ngành

Công nghệ GPS có đặc điểm u việt hơn hẳn các côngnghệ truyền thống ở các mặt:

- Xác định trực tiếp các thành phần toạ độ không gian với

độ chính xác cao ( cả toạ độ mặt bằng và độ cao)

- Rất linh hoạt trong việc bố trí điểm đo, có thể đotrong hầu hết các thời điểm và thời tiết

- Khả năng tự động hoá rất cao, cả trong ngoại nghiệp và

xử lý nội nghiệp

Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng có

hệ thống định vị toàn cầu tơng tự mang tên GLONASS(Global Navigation Satellite System) đợc đa vào sử dụng từnăm 1982 nhng do nhiều điều kiện khách quan nên ít đợcphổ biến hơn

1.2.1 Hệ thống cấu trúc của GPS gồm có 3 bộ phận chính( gọi là 3 đoạn ): Đoạn không gian , đoạn điều khiển và

đoạn sử dụng

1.Đoạn không gian (SPACE SEGMENT)

Đoạn này gồm các vệ tinh, trong đó có một số vệ tinh dựtrữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và cógóc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Quỹ

đạo của vệ tinh hầu nh tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ

20.000 Km so với mặt đất Chu kỳ quay của vệ tinh là 718m(xấp xỉ 12h) do vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm cho trớctrên mặt đất mỗi ngày một lần.Với cách phân bố nh vậy thìtại bất kỳ thời điểm nào ở bất kỳ vị trí nào trên trái đấtcũng đều nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh.

Mỗi vệ tinh đợc trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tửchính xác cỡ 10-12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ

sở 10,23 MHZ, từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42MHZ và L2= 1227,60 MHZ Các sóng tải này dợc điềuhoà bởi 3 mã (code) khác nhau:

* C/A-code là Code thô/ thâu tóm ( Coarse/ Acquistion): Nó

đợc sử dụng cho các mục đích dân sự và chỉ điều biếnsóng tải L1 Code này đợc tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và

1, đợc xắp xếp theo qui luật tựa ngẫu nhiên với tần số10,23 MHZ tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và đợc lặp lại saumỗi 1 mili giây Mỗi vệ tinh đợc gán một C/A- Code riêngbiệt

* P- code là code chính xác ( Precise): Nó đợc sử dụng chocác mục đích quân sự, tức là để đáp ứng yêu cầu độchính xác cao Code này điều biến cả hai sóng tải L1 và L2

và đợc tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1 đợc xấp xếptheo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ, độ dàitoàn phần của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngàyP-code mới lặp lại Tuy nhiên ngời ta chia code này thành các

đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các

đoạn nh thế, cứ sau mỗi tuần lại thay đổi Bằng cách này code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không đợc phép

P-* D – code là code để truyền lịch vệ tinh mới nhất,

thông số của lớp khí quyển sóng điện từ truyền qua sai số

đồng hồ vệ tinh, thời gian hệ thống quang cảnh phân bố

vệ tinh trên bầu trời … Nếu điều biến cả hai tần số sóngtải L1 và L2 Cả hai sóng tải L1 và L2 còn đợc điều biến bởicác thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemerit của vệ tinh,tình trạng hệ thống

Sơ đồ liên hệ giữa các sóng tải và code điều biến đợc trongbảng dới:

10,23 MHZ

P – Code10,23MHZThông tin đạo hàng

và thông tin đạo hàngNgoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị chongời sử dụng (khách hàng ), các vệ tinh con dùng hai sóng tần

số 1783,74 MHZ và 2227,5 MHZ để trao đổi thông tin vớicác trạm điều khiển trên mặt đất

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 và 4 trạm theo dõi Các trạmnày tạo thành một vành đai quanh Trái Đất

Nhiệm vụ của trạm điều khiển là điều khiển toàn bộhoạt động chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõichuyển động quĩ đạo của vệ tinh cũng nh hoạt động của

đồng hồ trên đó Tất cả các trạm đều có máy thu GPS,chúng tiến hành đo khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thểquan sát đợc, đồng thời đo các số liệu khí tợng Tất cả các số

liệu đo nhận đựơc ở mỗi trạm đều truyền về trạm trungtâm Trạm trung tâm xử lý các số liệu đợc truyền từ các trạmtheo dõi về cùng với các số liệu đo của chính nó Kết quả xử

lý cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệuchỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh Từ trạm trung tâm các

số liệu này đợc truyền trở lại cho các trạm theo dõi để từ đótruyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiểnkhác Nh vậy là các thông tin đạo hàng và thông tin thời giantrên vệ tinh thờng xuyên chính xác hoá và chúng sẽ đợc cungcấp cho ngời sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Việcchính xác hoá thông tin nh thế đợc tiến hành 3 lần trongngày.các thông tin cung cấp đại trà cho khách hàng chỉ đảmbảo độ chính xác định vị cỡ 10m, cha kể chúng còn bị cố ýlàm nhiễu đi để đảm bảo về quân sự bởi chế độ SA(selective availability) để hạn chế độ chính xác này ở mức100m chỉ khi thoả thuận với phía mỹ, ngời sử dụng mới có đ-

ợc các số liệu đảm bảo độ chính xác cao tới 1m

3 Đoạn sử dụng (User segment).

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 cácmục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng kể cả trêntrời, trên biển và trên đất liền Đó có thể là một máy thuriêng biệt hoạt động độc lập hay (trờng hợp định vị tuyệt

đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động

đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (trờnghợp định vị tơng đối) hoặc trờng hợp hoạt động theo chế

độ một máy thu đóng vai trò là máy chủ phát tín hiệu vôtuyến hiệu chỉnh cho các máy khác (trờng hợp định vị viphân) Đó còn là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS

đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang

từ vệ tinh tới tâm ăng ten máy thu

Giả sử ta có Trái Đất là khối cầu với tâm quán tính O.

M là điểm quan sát trên mặt đất, S là vệ tinh.

R:Bán kính vectơ địa tâm của điểm quan sát

r: Bán kính vectơ địa tâm của vệ tinh

f :Bán kính vectơ địa diện của vệ tinh

Biểu thức (1.2.1) gọi là phơng trình cơ bản của trắc

địa vệ tinh Từ (1.2.1) ta có :

R = r - f

( 1.2.2 )

Công thức (1.2.2) chính là phơng trình của bài toán

động học trong trắc địa vệ tinh

Vấn đề đặt ra là nếu biết bán kính vectơ địa tâmcủa vệ tinh tức là toạ độ của vệ tinh ở thời điểm quan sát,

đồng thời đo đợc bán kính vectơ địa diện của vệ tinh thìchúng ta sẽ tìm đợc bán kính véctơ của điểm quan sát.Tức

là biết đợc toạ độ không gian địa tâm của điểm quan sát Việc đo khoảng cách đợc dựa theo hiệu ứng Doppler vớicác sóng điều biến (C/A code hay P- code) hoặc các sóng tải

L1 và L2

Gọi : t là thời gian truyền sóng điện từ từ vệ tinh tới máythu

C là vận tốc truyền sóng điện từ trong chân không

Khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu đợc tính theo công thức :

(X,Y,Z): là toạ độ của tâm ăng ten máy thu, ∆t : là sai lệchthời gian truyền sóng.

Nếu đồng thời từ điểm trạm đo xác định đợc 4 vệtinh khác nhau trong hệ thống GPS ta sẽ giải đợc 4 ẩn số nóitrên Trờng hợp số vệ tinh nhiều hơn 4 vệ tinh thì 4 ẩn số nóitrên sẽ giải ra dựa theo nguyên lý số bình phơng nhỏ nhất

Do mục đích ứng dụng toàn cầu của hệ thống GPS kếtquả định vị phải đợc qui chiếu lên một hệ thống toạ độtoàn cầu, hệ thống đợc chọn WGS-84 Elipxoid đợc sử dụngcho hệ WGS-84 là Ellipxoid GRS-80 đợc hiệp hội trắc địa và

địa vật lý chấp nhận năm 1979 và đợc đánh giá tiệm cận tốtnhất với mặt Geoid toàn cầu Ellipxoid này có những thông sốsau:

Bán trục lớn a=6378137(m)

Độ dẹt 1/α= 1/198,257223563

Độ lệch tâm e2=0.08181990843

1.2.3:Các nguyên tắc trong đo GPS.

Việc định vị bằng GPS đợc thực hiện trên cơ sở sử dụnghai dạng đại lợng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theocác code ngẫu nhiên (C/A code và P-code ) và đo pha sóng tải(L1và L2 )

1.Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code :

Code tựa ngẫu nhiên đợc phát đi từ vệ tinh cùng với sóngtải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng nhvậy Bằng cách so sánh code thu đợc từ vệ tinh và code củachính máy thu có thể xác định đợc khoảng thời gian lantruyền của tín hiệu code và từ đây dễ dàng tính đợckhoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đúng hơn là đến tâm

ăng ten của máy thu) Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồcủa vệ tinh và của máy thu và do có ảnh hởng của môi trờnglan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính thero khoảng thờigian đo đợc không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh vàmáy thu Ngời ta gọi nó là khoảng cách giả

Ta hãy ký hiệu tọa độ của vệ tinh là XS ,YS , ZS ; tọa độcủa điểm xét (máy thu) là X, Y, Z; thời gian lan truyền tínhiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t; sai số giữa đồng hồtrong máy thu và đồng hồ trên vệ tinh là t; khoảng cách đo

đợc là R Khi đó ta có thể viết:

R=c.(t+t)= (Xs−X) 2 + (Ys−Y) 2 + (Zs−Z) 2 +c.t(1.2.6)

Trong đó c là tốc độ lan truyền tín hiệu

Trong trờng hợp sử dụng C/A - code, theo dự tính của các

trên vệ tinh

Do sai số đồng hồ trong máy thu và sai số lan truyền sóng

Tín hiệu máy thu

Tín hiệu vệ tinh

Thời gian truyền sóng cộng sai số của đồng hồ

Hình vẽ(1.2.2)

nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lantruyền sóng tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đokhoảng cách tơng ứng cỡ 30 m Nếu tính đến ảnh hởng của

điều kiện môi trờng lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảngcách theo C/A - code sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận

để cho khách hàng dân sự khai thác Song kỹ thuật xử lý tínhiệu code này đã đợc phát triển đến mức có thể đảm bảo

độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3 m tức là hầu nh khôngthua kém so với trờng hợp sử dụng P - code chỉ để dùng vớimục đích quân sự Chính vì lí do này Mĩ đã phải đa ragiải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A - code

Đây là hệ thống làm nhiễu (Selective Availability) dựa trên cơ

sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của đồng hồ vệtinh Khi bị làm nhiễu bởi SA toạ độ vệ tinh có độ chính xác

cỡ từ 2 - 50 m, tọa độ mặt bằng đạt cỡ 100 m (với mức SA cỡ95%)

Để dùng phơng pháp đo khoảng cách giả đạt độ chínhxác cao, các nhà trắc địa đã đa ra phơng pháp định vị t-

ơng đối, sai số tín hiệu vệ tinh do hệ nhiễu SA gây ra sẽkhông ảnh hởng đến các hiệu tọa độ giữa hai máy thu Ph-

ơng pháp này đợc áp dụng rộng rãi trong công tác trắc địabằng hệ thống định vị GPS

2.Đo pha sóng tải :

Các sóng tải L1và L2 đợc sử dụng cho việc định vị với

độ chính xác cao Với mục đích này ngời ta tiến hành đohiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận đợc từ vệ tinh

và pha của tín hiệu do chínhmáy thu tạo ra Hiệu số pha domáy thu đo đợc ta hãy ký hiệu là ( 0 < φ <2π) Khi đó ta có

∆t: là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh

và máy thuN là số nguyên lần bớc sóng λ chứa trong R nó đợcgọi là số nguyên đa trị và thờng không đợc biết trớc mà cầnphải xác định trong quá trình đo

Trong trờng hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác địnhkhoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác tới cỡcentimet thậm chí minimet Sóng tải L2 cho độ chính xácthấp hơn sóng tải L1, nhng tác dụng chủ yếu của nó là cùng vớisóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hởng của tầng điện

ly và làm cho việc xác định số nguyên đa trị (N) đợc đơngiản hơn

Sau đây là bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã(C/A, P) để xác định khoảng cách:

1 Đo GPS tuyệt đối:( Nguyên lý đo GPS tuyệt đối) :

Đo GPS tuyệt đối là trờng hợp sử dụng máy thu GPS đểxác định ngay ra toạ độ của điểm quan sát trong hệ thống

).(

2

t C N

λπφ

toạ độ WGS – 84 Đó có thể là các thành phần toạ độ vuônggóc không gian (X,Y, Z ) hoặc các thành phần toạ độ mặtcầu (B, L, H ).

2.Đo GPS tơng đối :(Nguyên lý của đo GPS tơng đối) :

Đo GPS tơng đối là trờng hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ởhai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độvuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z ) hay hiệu toạ độ mặt cầu(∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ toạ độ WGS-84

1.3 Đo GPS động.

1.3.1: Nguyên tắc đo GPS động.

Đo GPS động (Kinematic) là kỹ thuật đo thực hiệntheo nguyên lý định vị tơng đối, sử dụng ít nhất 2máy thu, một máy đặt cố định tại điểm đã biết toạ

độ gọi là trạm Base (trạm tĩnh), một máy vừa dichuyển vừa đo gọi là trạm Rover (trạm động), kếtquả là xác định ra toạ độ tơng đối giữa điểm trạmBase và hàng loạt điểm trạm Rover.(hình 1.3.1).Ph -

đãng, nếu quá trình này không đảm bảo thì quátrình đo bị gián đoạn và phải khởi đo lại.Cần đờng

đo (di chuyển máy thu di động)dới các tán cây ,dớicác vật bị che chắn tín hiệu nh tờng gạch,nhà,cột

điện…không nên đo ở nơi đô thị đông đúc nhiều

ngời ở.

Khoảng cách từ trạm Base đến trạm Rover có thểcách nhau đến 10km.độ chính xác của đo GPS độngthờng kém hơn đo tĩnh hai lần

Hình (1.3.1)

1.3.2: Khởi đo trong đo GPS động.

Trong bài toán định vị tơng đối bằng pha sóngtải, ta phải xác định số nguyên đa trị N Trong kỹthuật đo tĩnh, thời gian đo tại các điểm là dài nên sốtrị đo đủ lớn để xác định số nguyên đa trị N Trong

đo động máy tại trạm Rover vừa di chuyển vừa đonên thời gian đo tại một điểm là rất ngắn, không đủ

để xác định số nguyên đa trị Để khắc phục điềunày ngời ta đa ra giải pháp khởi đo Thực chất củakhởi đo là đi xác định số nguyên đa trị tại điểm

đầu tiên, sau đó dựa vào số nguyên đa trị này màxác định số nguyên đa trị cho các điểm tiếp theo

Có các phơng pháp khởi đo sau:

Trạm

Base

Điểm 1

Điểm 2

Điểm i

Điểm n

Trạm Rover

- Khởi đo trên điểm đã biết: Nếu trên khu đo có một

điểm đã biết toạ độ thì có thể dựa vào điểm này

để khởi đo, thời gian khởi đo theo phơng nàykhoảng vài phút

- Khởi đo trên điểm cha biết: Thực chất là xác định

số nguyên đa trị của điểm đầu tiên bằng ph ơngpháp đo tĩnh nhanh, thời gian khởi đo trên điểm ch abiết khoảng 20 phút

1.3.3: Các kỹ thuật đo GPS động.

Trong kỹ thuật đo GPS động có ba loại đo động:

1 Đo động dừng và đi (Stop And Go).

Là kỹ thuật đo mà máy tại trạm Rover dừng lại tạicác điểm cần xác định để thu tín hiệu khoảng vàigiây đến vài phút sau đó lại di chuyển đến điểmkhác Kỹ thuật đo này đợc ứng dụng chủ yếu để đo

vẽ thành lập bản đồ địa hình, đo vẽ mặt cắt, đocác điểm lới khống chế có độ chính xác thấp, đo baocác khu vực để kiểm kê diện tích đất sử dụng.vv…Theo cách đo này thì máy đi động phải đứng yêntrong khi thu tín hiệu phải có bộ điều khiển TDC1 đikèm

2 Đo động liên tục (Continuous).

Là kỹ thuật đo mà máy tại trạm Rover vừa dichuyển vừa đo, không dừng lại tại điểm cụ thể nào,kết quả sẽ xác định đợc các điểm trên đờng dichuyển sau những khoảng thời gian nhất định nào

đó Kỹ thuật này thờng đợc ứng dụng để xác địnhtoạ độ của các vật di chuyển nh tàu, thuyền, ô tôhoặc đo xác định bề mặt địa hình vv…

Với cả hai loại đo động này đều có chung đặc điểm

là đợc sử dụng ở khoảng cách khoảng 10 Km Độ chínhxác xác định cạnh cỡ khoảng ± 2cm+2ppm

3 Đo động đánh dấu sự kiện.

Là kỹ thuật đo mà trạm máy tại trạm động xác

định toạ độ điểm đồng thời với sự kiện nào đấy Vidụ: Máy động xác định tâm chụp của máy chụp ảnhhàng không đồng thời với việc cửa chớp nhanh củamáy chụp ảnh mở

Các kỹ thuật đo trên lại đợc thực hiện theo hainguyên tắc xử lý số liệu:Các bớc cơ bản trong xử lýkết quả đo động tơng tự nh với đo tĩnh.Các số liệu

đợc nhập từ máy thu vào máy tính cần đ ợc kiểm tratên tệp và độ cao của ăngten.Trong tính toán cụ thể

có những điểm khác tuỳ thuộc vào phần mền sửdụng ,ví dụ nh phần mền mới hơn thc hiện tính tự

động còn phần mền khác thì thao tác bằng tay trongcác lần tính lặp

Phân biệt kỹ thuật đo động theo hai nguyên tắc

xử lý số liệu đo

1 Đo động xử lý sau.Là kỹ thuật đo mà việc đo đạc

đợc thực hiện ngoài thực địa, sau đó đa số liệu trútvào máy tính, dùng các phần mềm chuyên dụng đểtính các baseline và toạ độ các điểm.Do đó khi đo

động xử lý sau thì cha cần biết trớc toạ độ,độ caocủa điểm trạm tĩnh (vì nó chỉ cần cho giai đoạn xử

lý trong phòng)

2 Đo động xử lý tức thời hay còn gọi là đo động thời gian thực.(Real Time Kinematic viết tắt là RTK): Là kỹ

thuật đo mà việc đo đạc và xử lý số liệu diễn ra tứcthời Theo kỹ thuật đo này, giữa trạm Base và trạmRover đợc trang bị một thiết bị phát và thu tín hiệuradio (gọi là Radio Link) Trạm Base phát đi toạ độ củamình và tín hiệu vệ tinh mà nó thu đ ợc truyền đếntrạm Rover Trạm Rover thu tín hiệu này, kết hợp vớitín hiệu vệ tinh mà nó thu đợc để tính ngay ra toạ

độ các điểm Để có toạ độ trong hệ toạ độ địa ph

-ơng thì phải cài các tham số chuyển đổi từ hệ toạ

độ WGS 84 sang hệ toạ độ địa ph ơng Trong đo

động tức thời (RTK)cần phải biết tr ớc toạ độ,độ caocủa điểm trạm tĩnh và một số điểm khác phân bốquanh khu đo để làm thủ tục địnhchuẩn(cabliration)

Hiện nay có nhiều phần mềm xử số liệu đo GPS trong

đó phải kể đến các phần mềm khá thông dụng củahãngTrimble:

-GPSurvey2.35

-Trimble Geomatic offi ce

-Trimble Total Control(TTC)

1.3.4 Ưu nhợc điểm của đo GPS động.

1 Ưu điểm.

- Xác định toạ độ một cách nhanh chóng

-Thời gian đo tại một điểm rất ngắn chỉ vàigiây đến vài chục giây

- Độ chính xác cao, chỉ kém đo tĩnh cỡ hai lần

- Trạm Base và trạm Rover có thể cách nhau tới 10

km mà không cần thông hớng với nhau, giảm đợc cáccông tác lập lới khống chế cấp thấp khi đo vẽ mà sử

dụng ngay điểm Địa chính cơ sở làm điểm trạmBase.

2 Nhợc điểm

- Trong suốt quá trình đo máy thu phải liên tục thutín hiệu vệ tinh nên chỉ đo đợc ở những nơi thôngthoáng trên bầu trời.Tuyến đo phải bố trí ở khu vựcthoáng đãng không để xảy ra tình trạng tín hiệu thu bịgián đoạn Nếu xảy ra trờng hợp này phải tiến hành khởi đolại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác đợcthiết lập dự phòng trên tuyến đo

-Trong đo GPS động ngời ta đòi hỏi khá ngặt nghèo

về thiết kế và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồhình phân bố cũng nh tín hiệu của vệ tinh

1.4 Các máy thu GPS.[3]

1.4.1 Nguyên lý cấu tạo máy thu.

Máy thu GPS là phần cứng thuộc đoạn sử dụng Máythu GPS cho phép ta thu nhận tín hiệu vệ tinh đểthực hiện nhiệm vụ định vị

Để định vị GPS phải có máy thu GPS, có nhiều loạimáy thu GPS, mỗi loại đợc thiết kế theo yêu cầu định

Hình 1.4.1 Sơ đồ cấu tạo máy thu GPS.

1 Anten máy thu có tính đa h ớng, tức là có thểthu tín hiệu của tất cả các vệ tinh trên chân trời ởcác hớng khác nhau Chỉ tiêu quan trọng trong thiết

kế anten là đảm bảo chính xác pha anten Tâm

điện tử của anten phải khép kín và trùng với tâmhình học đồng thời không bị tác động của hiện t ợngquay và nghiêng Yêu cầu này cần thiết trong tr ờnghợp đo động, khi đó anten di động trong suốt quátrình đo Thêm vào đó anten cần phải có khả năng

tự loại bỏ các tín hiệu có góc cao thấp và các tínhiệu đa đờng dẫn Điều này có thể thực hiện đợcnhờ anten có dạng hình nón xoáy tròn (chokeringantenna) Hiện nay phổ biến nhất là loại anten nhỏ

ợc khuyếch đại Anten đợc thiết kế đối với sóng tảiL1 hoặc cả hai sóng tải L1,L2

Anten

Bộ tần số radio(RF)

Bộ vi xử lý

Thiết bị ghi

Thiết bị điều

khiển

Bộ nguồn

Anten của máy thu có nhiều loại ,càng về sau thì cấutạo càng gọn hơn .Tuỳ theo từng loại máy thu màanten có thể gắn lion với máy thu tạo thành một khốihoặc tách rời với máy thu ,chỉ nối với máy thu bằngdây dẫn.

2.Bộ tần số radio (RF)

Đợc coi là trái tim của máy thu Sau khi tín hiệu vàoanten sẽ đợc xem xét để giữ lại nhờ C/A code Cáctín hiệu chuẩn đã đợc sắp xếp các đơn vị đối vớimỗi vệ tinh Bộ phận này có khả năng phân tíchlogic để phân biệt các vệ tinh theo nguyên tắc giámsát hiệu ứng Doppler Bộ tần số radio xử lý các tínhiệu đã vào các kênh Các máy một tần chỉ nhận xử

lý tín hiệu L1, còn đối với máy hai tần số thì thiết

bị nhận và xử lý cả hai tín hiệu L1 và L2 Các số liệunhận đợc bởi máy thu hai tần sẽ đợc phối hợp để tínhtoán và loại bỏ ảnh hởng khúc xạ tầng ion Số lợngkênh đóng vai trò quan trọng của RF và do vậy nóquyết định số lợng vệ tinh có thể quan sát và theodõi đồng thời

Các yếu tố cơ bản của RF là bộ duy trì tạo cáctần số chuẩn (mẫu tham khảo) sau đó qua bộ nhân

để có tần số cao hơn, tiếp theo tín hiệu đ ợc lọc đểloại bỏ các tần số không mong muốn và thực hiện trộntần Sau đó từ 2 tín hiệu duy trì y1 , y2 với các biên

độ khác nhau f1, f2 sẽ đợc nhân theo mô hình toán códạng đơn giản nh sau:

y = y1.y2 = a1cos(f1t)a2cos(f2t) =

2

. 2

1a a

[cos((f1− f2)t) + cos((f1+ f2)t)]

Kết quả trong tín hiệu y chứa cả phần tần số thấp vàtần số cao Sau khi sử dụng lọc dải thấp, phần tần sốcao đợc loại bỏ Phần tần số thấp còn lại đ ợc sử dụng

để xử lý Hiệu số giữa (f1- f2) giữa các tần số thờng

đợc gọi là tần số trung gian hay tần số phách( beat)

3 Bộ vi xử lý.

Bộ vi sử lý có chức năng thực hiện các phép tính theochơng trình đã chuẩn bị sẵn, nh tính toán đạohàng tức thời từ các trị đo khoảng cách giả Hiện nayngời ta đã sử dụng các bộ vi xử lý có tốc độ rất cao

4 Thiết bị điều khiển.

Thiết bị điều khiển thực hiện khả năng phối hợpgiữa ngời đo và máy thu Các lệnh đợc đa vào từ cácphím chức năng nh số liệu điểm đo, độ caoanten.vv… Ngoài các phím “cứng” máy thu còn có cácphím “mềm” thực hiện các lệnh bằng cách chọn trênmàn hình nhỏ

5 Thiết bị ghi.

Thiết bị ghi làm nhiệm vụ ghi lại các trị đo và ghithông tin đạo hàng để phục vụ cho công tác xử lýsau này Thiết bị ghi trong máy thu GPS đảm bảokhông bị mất số liệu khi tắt nguồn điện Dung l ợng

bộ máy sẽ quyết định thời gian thu tín hiệu liên tục

6 Bộ nguồn.

Bộ nguồn của máy thu th][ngfl af pin hoặc các acquysạc điện Dòng điện sử dụng cho máy thu là dòngmột chiều có điện áp từ 6v đến 20 vôn

1.4.2 Phân loại các máy thu GPS.

Hiện nay các máy thu GPS đợc chế tạo ở nhiều nớckhác nhau trên thế giới, nh Mỹ (các hãng Trimble,Ashtech, Magnavox) ở Canada (Marcony, NorstarTustrumenst) ở Anh, ở Đức (Parakla-Seimoss) ở Pháp(Sercel) ở Thụy Sỹ (Leica) ở Nhật (Sokia) chúng rất

đa dạng về chủng loại Tuy nhiên các máy thu GPS cóthể phân loại theo các tiêu chẩn sau :

1 Theo mục đích sử dụng.

Tuỳ vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xácngời ta đã chế tạo ra nhiều loại máy thu GPS khácnhau Có loại chuyên dùng để trang bị lắp ráp trêntàu biển, trên máy bay, hoặc các ph ơng tiện chuyển

động khác Có loại đợc chế tạo gọn nhẹ (cầm tay),chuyên dùng để xác định gần đúng vị trí điểm, và

có loại đợc chế tạo chuyên phục vụ công tác trắc địa.Máy chuyên dụng cho trắc địa có những yêu cầu rấtcao về độ chính xác tâm pha anten, khả năng lọcnhiễu có khả năng định vị tuyệt đối ,định vị t ơng

đối,đo động và đo tĩnh vv

Máy thu phục vụ cho một số mục đích khác

2 Phân loại dựa vào cách làm việc của các kênh cảm nhận tín hiệu.

Máy thu có các kênh làm việc song song:là máythu có nhiều kênh cảm nhận tín hiệu, các kênh đồngthời cảm nhận tín hiệu, mỗi kênh cảm nhận tín hiệucủa một vệ tinh Các máy thu phục vụ Trắc địa th -ờng là các máy thu này

Máy thu có kênh làm việc nối tiếp: là máy thu chỉ

có một kênh, nó lần lợt cảm nhận tín hiệu của các vệ

Máy thu làm việc kết hợp: là máy thu có nhiều

kênh đồng thời cảm nhận tín hiệu vệ tinh, nh ng mỗikênh lại làm việc theo nguyên tắc nối tiếp

3 Phân loại dựa vào tần số thu đợc.

Máy thu 1 tần số: là máy thu chỉ thu tín hiệu tần

số L1 Loại máy thu này thờng dùng khi định vị tơng

đối với khoảng cách ngắn (dới 10km)

Máy thu 2 tần số: là máy thu cả tín hiệu tần số

L1 và L2 Loại máy thu này thờng dùng khi định vị

t-ơng đối khoảng cách dài Hiện nay còn có những

máy thu có khả năng thu cả tín hiệu vệ tinh GPS và

tín hiệu vệ tinh GLONASS (máy GB-1000 của hãng

TOPCON- Nhật Bản)

1.4.3 Một số loại máy thu GPS

sảnXuất

Tần

số sửdụng

Phơngpháp đo Độ chínhxác xác

định chiềudài D

HMỹ

-Số lợng pin đủ cho suốt thời gian đo

-Giá ba chân ,đế máy có dọi tâm quang học và bộ

nối đế máy với máy thu

b mỗi trạm thu di động cần có

-Một máy thu 4600LS

-Số lợng pin đủ cho suốt thời gian đo

-Sào chống có đầu nhọn cùng với giá chống sào để

giữ cho máy đứng yên trong quá trình thu tín hiệu