xử lý ở trạm rover trong mạng lưới RTK và các chỉ số chất lượng

GIỚI THIỆU Điều chỉnh chất lượng mạng lưới RTK là một quá trìnhcủa: hình học mạng, lỗi đo đạc, loại bỏ tham số gâynhiễu ieambiguities, và sử dụng mô hình nội suy.Cácmặt này có lien kết v

xử lý ở trạm rover trong mạng lưới RTK và các

chỉ số Chất lượng

Tiểu sử

Paul Alves tốt nghiệp năm 2005 với bằng tiến sĩ tạiĐại học Calgary , Canada Nghiên cứu của ông quan tâmđến các vấn đề gồm có: mạng RTK , xử lí pha truyền tải,vàgiải quyết ẩn số Hiện nay,ông đang làm việc như một kỹ

sư phần mềm cho Leica Geosystems

Holger Kotthoff tốt nghiệp chuyên ngành đo đạc tạiĐại học kỹ thuật Bonn, Đức , vào năm 1998 Vào thángbảy năm 2000,ông tham gia Leica Geosystems tại Thụy Sĩnhư một phần của nhóm xử lý dữ liệu , phát triển hơnnữa thời gian thực và nhân xử lí được sử dụng trong cácsản phẩm khác nhau

Ines Geisler tốt nghiệp vào năm 2005 với một Vănbằng đo đạc từ trường Đại học Công nghệ Dresden,Đức.Nghiên cứu của cô quan tâm đến lĩnh vực mạng RTK.Ineshiện đang làm việc như một Kỹ sư ứng dụng trong cáctrạm mạng tư vấn của Leica Geosystems ở Thụy Sĩ

Oliver Zelzer tốt nghiệp ngành Vật lý tại Đại học kỹthuật Vienna năm 1996 và làm việc như một kỹ sư phầnmềm trong một loạt các ngành công nghiệp ông gia nhậpLeica Geosystems vào năm 2002 và chủ yếu là làm việc về

xử lý mạng gps và xử lí dữ liệu GPS rover thời gian thực Hans- Juergen Euler học tập, nghiên cứu tại Đại học

kỹ thuật Darmstadt Ông tốt nghiệp năm 1990 với bằngTiến sĩ về cách giải quyết GPS nhanh trong mạng quy mônhỏ Nghiên cứu của ông quan tâm về lĩnh vực mạngRTK và ứng dụng các thông tin trong GNSS rovers Ôngđiều hành quá trình tiêu chuẩn hóa RTCM SC104 chomạng RTK và Galileo

TÓM TẮT

Phương pháp nhiều trạm tham chiếu được biết đến làmột phương pháp kết hợp dữ liệu từ một khu vực mạnglưới trạm tham chiếu để sửa chữa đo đạc chính xác chongười sử dụng Nó được thực hiện bằng cách tính toánkhu vực lỗi tại vị trí các trạm tham chiếu và nội suy chúng

để có vị trí của rover.Sự chính xác của những điều chỉnhphụ thuộc vào khoảng cách trạm tham chiếu ,vị trí củarover, và đặc điểm của sai số phép đo Bài viết này giớithiệu một chỉ số chất lượng mạng RTK dựa trên đặc điểm

của sai số phép đo Chỉ số này cho rằng tuyến tương quancác khu vực lỗi, tốt hơn các phương pháp nội suy Tuyếncủa các lỗi mạng lưới đo lường được giới hạn và dựa vàokhoảng cách đến rover

Chất lượng các chỉ số cho thấy,sự thành công của các môhình mạng RTK trong các phạm vi quan sát Có một sự cảithiện đáng kể trong phạm vi bố trí khi không biết vi trí cốđịnh được dung, tuy nhiên đây chỉ là một cải tiến nhỏđáng chú ý trong phương pháp “vị trí cố định không xácđịnh”

GIỚI THIỆU

Điều chỉnh chất lượng mạng lưới RTK là một quá trìnhcủa: hình học mạng, lỗi đo đạc, loại bỏ tham số gâynhiễu (ieambiguities), và sử dụng mô hình nội suy.Cácmặt này có lien kết với nhau ,ví dụ, mô hình nội suy đượcdùng phải có trạng thái không gian tương tự như lỗi đođạc Ngoài ra, nếu các lỗi đo đạc thấp thì trạm thamchiếu có thể được đặt xa hơn so với khi lỗi đo đạc cao Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất Mạng lưới RTK thường tập trung xung quanh những đặc trưng và đặcđiểm của các lỗi đo đạc Hiểu được chính xác về các lỗi

đo đạc mang lại một mô hình nội suy tối ưu và hình họcmạng cho một mức độ hiệu suất rover nhất định nhưmong muốn Các tài liệu sau đây tập trung vào đo lường

và định lượng các thuộc tính của lỗi đo đạc (Alves, 2004;Wanninger, 2004; Wübbena, 2004; Chen, 2003; Raquet,1998) Trong một số trường hợp phức tạp hơn các thuộctính sai số đo đạc được dùng để ngoại suy cho các rovertrong việc tăng hiệu suất của mạng

Nhiều chỉ tiêu chất lượng cho mạng RTK sử dụng lỗi cònlại đo bằng các trạm mạng tham chiếu để lấy được cácđiều kiện và đặc điểm của lỗi hiện có ( Chen , 2003;Wanninger , 2004) Những đặc điểm này so sánh với các

mô hình hiện tại để xác định các mô hình còn lại Ví dụ,nếu đo đạc mạng còn lại tức là đường tuyến tính và một

mô hình nội suy tuyến tính được sử dụng thì khả năngcao rover sẽ đạt được một mức độ cao về hiệu suất

Các mô hình còn lại sau đó có thể được sử dụng để dựđoán mô hình không chính xác như một hàm của khoảngcách đến trạm tham chiếu Ví dụ, nếu mô hình còn lại caonhưng rover là tại một trạm tham chiếu thì mô hình

lỗi không thể thực hiện

Khả năng để xác định mô hình còn lại là một chứcnăng của các bậc tự do của mô hình nội suy nếu

không có bậc tự do thì không thể xác định Trong trườnghợp này bậc tự do có thể tạo ra bằng cách loại trừ mộttrong những trạm tham khảo từ các mô hình tính toán MẠNG RTK TỔNG QUAN

Phương pháp mạng cơ sở RTK dựa trên sử dụng mộtmạng lưới các trạm tham chiếu để đo các lỗi tương quantrong một khu vực và để dự đoán tác động của khônggian và thời gian trong mạng Cái tên cho thấy rằngphương pháp là thời gian thực xác định.Quá trình này cóthể làm giảm ảnh hưởng của các lỗi tương quan tốt hơnnhiều so với phương pháp trạm tham chiếu duy nhất,do

đó cho phép các trạm tham chiếu đạt đến được khoảngcách xa hơn nữa bao gồm một khu vực lớn hơn phươngpháp truyền thống , trong khi vẫn duy trì cùng một mức

độ hiệu suất rover

Mạng RTK bao gồm sáu quá trình chính :

1 Xử lý dữ liệu trạm tham chiếu đến giải quyết ẩn sốmạng,

2 Lựa chọn các trạm tham chiếu góp phần vào việc sửachữa cho rover ,

3 tạo ra những điều chỉnh mạng lưới ,

4 nội suy của sự điều chỉnh cho củavị trí rover

Một tập con của các trạm từ mạng tham chiếu, đượcgọi là một cell, nó được chọn để thực hiện việc điềuchỉnh cho rover dựa trên vị trí của rover Một trạm trongcell, thường nằm gần rover, được chọn làm trạm chính.Các mô hình hiệu chỉnh nội suy mạng để xác định ảnh

hưởng của các lỗi liên quan đến vị trí của rover tùy thuộcvào khái niệm hiệu chỉnh (máy phụ chính, VRS hoặc FKP), Việc nội suy có thể được thực hiện bằng phần mềm trạmtham chiếu hoặc rover Sự điều chỉnh được thực hiệntrong cách rover hoặc phần mềm RTK tiêu chuẩn có thểgiải ra được chúng Lưu ý rằng, cho đến khi công bố cácmạng RTCM 3.0 thì không có một tiêu chuẩn chính thứcnào cho việc truyền tải điều chỉnh mạng Sự điều chỉnhnội suy sau đó được áp dụng cho quan sát của các trạmchính, sau đó được sử dụng bởi các rover hoặc phầnmềm RTK để tính toán vị trí của nó.

PHƯƠNG PHÁP

Phương pháp được đề xuất là một cách sử dụng hìnhhọc để xác định sự tuyến tính của sai số đo đạc trongđịnh vịtuyệt đối 1 điểm (không có sai phân ) độ lớn tuyệtđối của tất cả các lỗi đo đạc ảnh hưởng đến vị trí và hiệusuất chuyển hướng Khi sử dụng các phương pháp khácnhau ,các lỗi đo đạc khác nhau và giá trị tuyệt đối của sai

số phép đo không liên quan đến mức độ thực hiện Điềunày đã đặt ra các tiêu chuẩn về phần triệu của chiều dài

đường cơ sở để mô tả độ lớn của tập hợp các dữ liệu sai

số đo đạc

Trong mạng RTK xu hướng tuyến tính của các lỗi được

mô hình hóa và loại bỏ Do đó,phần lớn mỗi triệu chiềudài đường cơ sở hoặc lỗi giá trị gradient không ảnhhưởng tới mức độ hoạt động trong mạng RTK nếugradient này không đổi trên toàn mạng

Hình 1 là một ví dụ về điều này Đường màu đỏ là

sai số đo tuyệt đối , trong đó có giá trị một phần chiềumỗi triệu ( được xác định bởi độ dốc của nó ) Dòng màuxanh lá cây xác định khác biệt sai số đo trạm tham chiếubằng cách sử dụng trạm xanh như tham chiếu và đườngmàu xanh cho thấy sai số đo khác nhau khi sử dụng trạmmàu xanh như tham chiếu giả sử lỗi đo đạc tuyến tính

và mô hình nội suy tuyến tính cho việc điều chỉnh , rover

sẽ không có sai số đo đạc trong chế độ mạng RTK Điềunày là do độ dốc của các lỗi đo đạc được mô hình hóatrongmạng RTK Chen (2003) cũng thảo luận về một thờigian ngắn thảo luận về hiệu ứng này khi thảo luận về cácchỉ số I95 tầng điện ly( Wanninger , 2000)

HÌNH 1

Hình 1: Là ví dụ về sự khác biệt giữa 1 trạm tham khảo(thể hiện bằng đường màu xanh và màu xanh lá cây) vàcác đặc điểm của sai số đo trạm tham chiếu Các sai số đotuyệt đối được thể hiện bằng đường màu đỏ

Phương pháp trong bài viết này sử dụng sự thay đổitrong độ dốc của các lỗi đo đạc như một chỉ số về hiệusuất mạng RTK

Sự tuyến tính của mô hình được thể hiện theo hai chiềubởi phép đo tam giác các mạng và giả sử mạng như haimặt hoặc mặt hình tam giác nếu lỗi trong khu vực làtuyến tính thì bề mặt này là mặt phẳng(mặc dù nó có thểkhông nằm ngang) như trong hình 2(phần trên) Còn nếuphi tuyến tính trong bề mặt này thì xuất hiện chỗ nối cáccạnh của hai mặt (hình 2,dưới) Phương pháp này đo đạc

sự thay đổi trong độ dốc các cạnh của một mạng lướitamgiác 2D như dấu hiệu tuyến tính của các lỗi đo đạc

h ình 2: là ví dụ về hình dạng của một mạng lưới tamgiác hình trên là một mạng lưới với các lỗi đo đạc tuyến

tính hình dưới là một mạng lưới với các lỗi đo đạc phituyến tính

QUY TRÌNH

Việc tính toán chất lượng này được thực hiện theo cácgiai đoạn sau:

1 Mạng lưới tam giác

2 Xác định tam giác có chứa các trạm rover và ba trạmkết nối tương ứng

3 Xác định ba hình tam giác được kết nối với các cạnhtam giác của trạm rover

4 Tính toán độ dốc của mặt phẳng tam giác có chứarover và ba hình tam giác được kết nối bằng cách sử dụngmạng cho các trạm kết nối

5 Tính toán sự khác biệt trong các sườn dốc dọc theohướng ngã tư của mặt phẳng trung tâm với các bề mặtbên ngoài

6 Tính toán khoảng cách ngắn nhất giữavị trí trạm rover

và mặt phẳng chung giữa các mặt phẳng

7 tải trọng khác nhau cuả giá trị độ dốc bằng nghịch đảokhoảng cách đến tiếp giáp của măt phẳng.

Tam giác của mạng có thể được thực hiện thông quabất kỳ phương pháp nào khả thi Trong các trường hợphiển thị,thì dùng phép đạc tam giác Delaunay Sự chênhlệch kép của dốc được tính theo hướng bắc và hướngđông, sử dụng cho đồng bằng thì có sự sai khác kép tạikết nối các trạm tham khảo.không dùng sai khác đơn bởi

vì các đồng hồ của trạm sẽ ảnh hưởng đến các dốc

Sai khác của các sườn dốc được tính bằng cách sửdụng các điểm của một vector các sườn dốc Vectorvuông góc với mặt phẳng hợp bởi hướng bắc và hướngđông dốc như sau:

Khoảng cách ngắn nhất giữa rover và ba cạnh tam giácdùng để tính toán tải trọng của ba sai khác dốc.một cạnhgần rover, cạnh có nhiều tải trọng độ dốc khác nhau Tảitrọng được tính bằng nghịch đảo khoảng cách tới góc gầnnhất.mỗi tải trọng cho một giá trị sai khác kép như sau:

là điều chỉnh rover, dr12, khoảng cách ngắn nhất giữa cácrover và cạnh nằm giữasườn 1 và sườn 2

Giá trị điều chỉnh này rất nhỏ bởi vì nó là một cosin tảitrọng của góc giữa các mặt phẳng Để những giá trị phùhợp với yêu cầu chúng tanhân tất cả với 500 Giá trị củachất lượng chỉ là tương đối nên phải được hiệu chỉnh vàsau đó cố định Các giá trị tương đối của các chỉ số chấtlượng rất quan trọng

Nội suy của điều chỉnh

Có nhiều phương pháp tham số để điều chỉnh sự chênhlệch cho rover nằm trong hoặc gần vùng mạng phủ sóng.Tất cả các phương pháp phát triển đều dựa trên nguyên línhư nhau Sau đây là ví dụ về các phương pháp nội suyđiểu chỉnh:

· dựa trên phương pháp nội suy tuyến tính (Dai et al.,2004; Euler et al., 2004).

· mô hình 2D bậc thấp (Dai et al., 2004;Euler et al., 2004;Wanninger, 2000; Fotopoulos & Cannon, 2001)

· Phương pháp bình phương nhỏ nhất (Raquet,1998;Marel, 1998; Alves, 2004)

Mục đích của mỗi phương pháp là mô hình hóa các lỗiphụ thuộc vào khoảng cách đường cơ sở giữa trạm chính

và trạm rover trên epoch-by -epoch và satellite-by-satellite basis

Các thông số ban đầu của mỗi thuật toán nội suy sai sốđơn quan sát giữa các máy trung tâm và máy phụ (giaiđoạn truyền tải cho tần số L1/L2 hoặc hình học tuyếntính -/tổ hợp tầng điện li tự do ), n-1 là sai số vector độclập,trong đó n là số lượng các trạm tham chiếu cộngẩn(bậc của ẩn) chênh lệch điều chỉnh cho tất cả tọa độcác trạm tham chiếu hoặc chênh lệch ghép(khi áp dụng

mô hình mặt phẳng bậc thấp), hoặc độ dài cơ sở giữatrạm trung tâm và các trạm phụ(khi xử lí khoảng cách tảitrọng vàmô hình bình phương nhỏ nhất)

Vector của rover điều chỉnh là kết quả của một véc tơcủa trạm tham chiếu (lỗi ước tính) và một vector các hệ

Tất cả các hệ số có thể được tính từ coordinates đếntọa độ các trạm cố định theo hình học của các trạm vàcác mạng(Dai et al., 2004) Kể từ khikhái niệm trung tâm-phụ được áp dụng, hệ số vector (cũng như vector lỗi) chỉ

có 1 đường cơ sở duy nhất giữa một trạm chủ và mộttrạm tham chiếu

Điều chỉnh sai khác dùng để nội suy vị trí của rover ,nóđược áp dụng cho các quan sát tổng quát của trạm thamchiếu để cải thiện vị trí ban đầu giữa trạm trung tâm và

rover.Đường cơ sở dựa vào điều chỉnh mạng thời gianthực cũng được gọi là mạngđịnh vị RTK

Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra các phương pháp nộisuy khác nhau tất cả đều có các kết quả tương tự (Dai et

al 2004) các phương pháp nội suy trong nghiên cứu này

làphương pháp bình phương nhỏ nhất

Phương pháp bình phương nhỏ nhất

Mô hình phương pháp bình phương nhỏ nhất các lỗiphụ thuộc vào khoảng cách được thành lập dựa trên mốiquan hệ không gian của chúng.nó giả sử khoảng cách đếntrạm tham chiếu sai sót rất nhỏ, như vậy hạn chế tối đacác sai sót trong phương pháp bình phương nhỏ nhất.Bình phương nhỏ nhất dựa trên một số giả định(Alves,2004):

Sự điều chỉnh sai khác là các phép đo chính xác đườngxiên tín hiệu gây bởi bởi nhiễu n

Các phép đo (tín hiệu và nhiễu) bằng không , phân bốbình thường

· Chưa biết các tín hiệu chính xác s(t), nhưng đã biết cácphương sai sai của s(t)

Các tín hiệu có thể ước tính được xác định bằngphương sai của nó, tức là hai điểm sẽ có cùng giá trị Cáclỗi phụ thuộc vào khoảng cách sẽ được thêm tương ứngvới chiều dài đường cơ sở

Raquet (1998)đã đề xuất Phuong pháp bình phươngnhỏ nhất phương trình được sắp xếp theo thứ tự mà haisai phân dư giữa trạm trung tâm và trạm tham chiếuđược tính như sau:

S=- CslsBTB CllBT 1A x B l (5)

trong đó s là vector của các tín hiệu ước tính (chỉnh sửa)

ở vị trí của rover, Csls là ma trận phương sai giữa cácthành phần tín hiệu quan sát mạng và tín hiệu dự báo(nội suy vector s ), B là ma trận theo dõi, Cll là ma trậnphương sai của các theo dõi mạng (vectorl), A là ma trậncủa các thông số ước tính, x là vector của các thông sốước tính, l là vector của các mạng theo dõi

Sau khi có khái niệm trung tâm-phụ thì phương trình (5)

có thể được đơn giản bằng cách sử dụng sự sai khácđơn Như vậy có thể bỏ ma trận B với giả định rằng

điêu chỉnh sai khác là điều chỉnh không tương quan.Phương trình (5) trở thành:

s =slsCll1

Bằng cách nghịch đảo Cll, giá trị biến dạng thấp trở thànhcao và giá trị biến dạng cao trở thành thấp, do đó tảitrọng cao được theo dõi chính xác khi nhânCll1 với l

Hàm phương sai dung để tạo ra các phương sai matrận Nó tính phương sai ước tính giữa cácthành phầntínhiệu quan sát Tùy vào đặc điểm của hàm phương sai,mỗi chức năng lại có một dạng và đặc điểm dự đoán khácnhau Alves (2004) cho thấy sự khác biệt lớn nhất trong

dự đoán đặc điểm của một số chức năng là phương saikhi mạng thưa hoặc khi chiều dài tương quan ngắn Sauđây là các yêu cầu mà chức năng thống kê cần thực hiện

để phù hợp trong một mạng lưới trạm tham khảo:

· Các hàm phương sai nên xác định rõ các ma trận thống

kê khác nhau

· Dự đoán phải đại diện cho các lỗi đo tại các trạm thamchiếu cũng giống như các lỗi đo tại trạm rover