Kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trước bình sai bằng phần mềm TEQC

Chất lượng số liệu GNSS phụ thuộc vào nhiều yếu tố như máy thu, vị trí anten, môi trường khí quyển, tín hiệu vệ tinh,… nên việc kiểm tra chất lượng số liệu chu yếu dựa trên các chỉ tiêu

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu và các kết quả nêu trong luận văn

là trung thực và chính xác.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trọng Long

Đề tài luận văn được hoàn thành với tài trợ của Bộ Tài nguyên và Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở “Nghiên cứu đánh giá và quản ly chất lượng số liệu

đo của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu”, mã số 13.01.17.O.02 do TS Bùi Thị Hồng Thắm làm chu nhiệm đề tài Tôi trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ nghiên cứu này.

Trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

ĐOAN i LỜI

CẢM ƠN .ii

MỤC LỤC .

iii THÔNG TIN LUẬN VĂN v DANH MỤC CÁC KY HIỆU VIẾT TẮT, KY HIỆU TIẾNG ANH vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SỐ LIỆU ĐO GNSS

5 1.1 Khái quát về số liệu đo GNSS 5

1.1.1 Số liệu từ các máy thu GNSS 5

1.1.2 Số liệu dạng RINEX 6

1.2 Thực trạng của việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trên thế giới và ở Việt Nam 13

1.2.1 Tình hình việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trên thế giới 13 1.2.2 Tình hình việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS ở Việt Nam 14 1.3 Vấn đề cần nghiên cứu 15

Chương 2 CƠ SỞ ĐỂ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SỐ LIỆU ĐO GNSS 17

2.1 Các phương pháp đo GNSS 17

2.1.1 Phương pháp đo tuyệt đối 17

2.1.2 Phương pháp đo tương đối 18

2.1.3 Phương pháp đo vi phân 20

2.2 Các nguồn sai số trong đo GNSS 20

2.2.1 Sai số liên quan đến vệ tinh 21 2.2.2 Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu 25

2.2.3 Sai số liên quan đến máy thu 29

2.3 Khai thác phần mềm TEQC đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS 32

2.3.1 Giới thiệu phần mềm TEQC 32

2.3.2 Khai thác, cài đặt và sử dụng phần mềm 33

2.3.3 Minh giải kết quả QC 33

Chương 3 THỰC NGHIỆM VỀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SỐ LIỆU ĐO GNSS 39

3.1 Số liệu thực nghiệm 39

3.1.1 Số liệu đo 39

3.1.2 Số liệu dạng rinex 40

3.2 Ứng dụng phần mềm TEQC kiểm tra chất lượng của số liệu đo GNSS 43 3.2.1 Kiểm tra chất lượng số liệu GPS 44

3.2.2 Kiểm tra chất lượng số liệu GLONASS 45

3.2.3 Kiểm tra chất lượng số liệu GPS/GLONASS 47

3.3 Phân tích, đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS 48

3.3.1 Phân tích, đánh giá chất lượng số liệu đo GPS 48

3.3.2 Phân tích, đánh giá chất lượng số liệu đo GLONASS 52

3.3.3 Phân tích, đánh giá chất lượng số liệu đo GPS/GLONASS 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ tên học viên: Nguyễn Trọng Long

đó, người sử dụng có những giải pháp tối ưu đáp ứng cho mục đích sử dụng.

DANH MỤC CÁC KY HIỆU VIẾT TẮT, KY HIỆU TIẾNG ANH

TT Chữ viết tắt/Tiếng nước ngoài Y nghĩa

1 Compass Hệ thống định vị vệ tinh của Trung Quốc

3 GLONASS - Global Navigation Satellite System Hệ thống định vị vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Nga

4 GNSS - Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu

5 GPS - Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ

6 IGS - International GNSS Service Dịch vụ GNSS quốc tế

7 MSAS - MTSAT Satellite - based Augmentation System Hệ thống vệ tinh tăng cường dựa trên vệ tinh MTSAT

8 WAAS - Wide Area Augmentation DGPS System Hệ thống vệ tinh tăng cường diện rộng DGPS

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Một phần tệp số liệu GNSS 9

Bảng 1.2 Các mô tả quan trọng nhất 10

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của tầng điện ly tới khoảng cách

34

Bảng 2.5: Phần thông báo tổng hợp 36

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp số liệu đo trong 39

Bảng 3.2 Một phần của tệp 58180020.17o 41

Bảng 3.3 Một phần của tệp 58180020.17n 42

Bảng 3.4 Một phần của tệp 58180020.17g 43

Bảng 3.5 Một phần của tệp 58180020.17S khi đánh giá số liệu đo GPS

44

Bảng 3.6 Một phần của tệp 58180020.17S khi đánh giá số liệu đo GLONASS

46 Bảng 3.7 Một phần của tệp 58180020.17S khi đánh giá số liệu đo

GPS/GLONASS 47 Bảng 3.8 Bảng tổng hợp một số chỉ tiêu chất lượng số liệu

GPS 48

vii Bảng 3.9 Bảng tổng hợp một số chỉ tiêu chất lượng số liệu

GLONASS 52 Bảng 3.10 Bảng tổng hợp một số chỉ tiêu chất lượng số liệu GPS/GLONASS

56

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Phương pháp đo tuyệt đối 18

Hình 2.2 Phương pháp đo tương đối 19

Hình 2.3 Một số nguồn sai số trong đo GNSS 21

Hình 2.4 Quỹ đạo của vệ tinh 23

Hình 2.5 Sai số do đồ hình vệ tinh 24

Hình 2.6 Ảnh hưởng cua tầng điện ly 26

Hình 2.7 Ảnh hưởng cua tầng đối lưu 27

Hình 2.8 Ảnh hưởng đa đường dẫn 29

Hình 3.1 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GPS trong máy thu Trimble R2 50

Hình 3.2 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GPS trong máy thu Trimble R2 51

Hình 3.3 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GPS trong máy thu Trimble R8S 51

Hình 3.4 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GPS trong máy thu Trimble R8S 51

Hình 3.5 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GLONASS trong máy thu Trimble R2 54

Hình 3.6 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GLONASS trong máy thu Trimble R2 55

Hình 3.7 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GLONASS trong máy thu Trimble R8S 55

Hình 3.8 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GLONASS trong máy thu Trimble R8S 55

Hình 3.9 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GPS/GLONASS trong máy thu Trimble R2 58 Hình 3.10 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GPS/GLONASS trong máy thu Trimble R2 59

Hình 3.11 Đồ thị dMp1 của số liệu đo GPS/GLONASS trong máy thu Trimble R8S 59

Hình 3.12 Đồ thị dMp2 của số liệu đo GPS/GLONASS trong máy thu Trimble R8S 59

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Ngay từ khi ra đời, công nghệ GNSS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có trắc địa Với những ưu điểm hơn hẳn các phương pháp truyền thống, công nghệ GNSS đã được triển khai trong việc như thiết lập lưới khống chế Nhà nước, nghiên cứu chuyển dịch các đứt gãy kiến tạo, tăng dày khống chế điểm, đo vẽ chi tiết,…

Kiểm tra chất lượng là quá trình kiểm tra chất lượng số liệu đo Chất lượng số liệu GNSS phụ thuộc vào nhiều yếu tố như máy thu, vị trí anten, môi trường khí quyển, tín hiệu vệ tinh,… nên việc kiểm tra chất lượng số liệu chu yếu dựa trên các chỉ tiêu liên quan tới các thông số này Từ việc đánh giá được chất lượng số liệu đo GNSS, người sử dụng sẽ có những giải pháp tối ưu đáp ứng cho mục đích sử dụng trong từng trường hợp cụ thể.

Trên trường quốc tế, sau khi quan trắc kết thúc ca đo, số liệu được kiểm tra chất lượng Để giải quyết được vấn đề này người ta đã sử dụng phần mềm TEQC của nhóm chuyên gia UNAVCO (University NAVSTAR Consortium) Mục tiêu bao trùm của các phần mềm này là phân tích số liệu đo đưa ra các chỉ tiêu định lượng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường dẫn, tầng khí quyển, thời gian chỉnh lại đồng hồ máy thu.

Ở Việt Nam, liên quan đến việc đánh giá chất lượng số liệu đo GPS thì

có công trình của PGS.TS.Vy Quốc Hải được công bố vào năm 2004 Trong công trình này, chất lượng đồng hồ của bộ 3 máy thu Trimble 4000 SSI được trang bị năm 1997 của Viện Địa chất đã được đánh giá trên cơ sở ứng dụng phần mềm QC, TEQC giai đoạn từ 1997 đến 2004.

Ở nước ta, số liệu GNSS sau khi được thu thập ngoài thực địa được trút sang máy tính, sau đó được đưa vào các phần mềm xử ly nhằm nhận được các

thành quả trắc địa khác nhau Việc kiểm tra và quản ly chất lượng số liệu đo

để đảm bảo độ chính xác cao cho giai đoạn xử ly số liệu hầu như vẫn chưa được quan tâm Vì vậy, trong thực tế đã có những tệp số liệu đo không xử ly được hoặc xử ly được song chất lượng thành quả chưa đạt được yêu cầu mà không rõ nguyên nhân nên khó có thể khắc phục Điều này đã gây ra nhiều khó khăn về chuyên môn cũng như kinh phí, đặc biệt cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao như lưới GNSS quốc gia, các lưới nghiên cứu chuyển dịch kiến tạo,…

Như ta đã biết chất lượng của số liệu đo không chỉ phụ thuộc vào chất lượng của đồng hồ máy thu mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như đã nêu ở trên Bên cạnh đó, số liệu của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu không chỉ có số liệu của hệ thống GPS mà còn có số liệu của các hệ thống khác như GLONASS, GALILEO,… Máy thu GNSS ngày nay có thể thu được tín hiệu đa hệ, số liệu thu ở dạng hỗn hợp ví dụ như số liệu hỗn hợp GPS/GLONASS,…

Từ những phân tích nêu trên cho thấy, việc đánh giá và quản ly chất lượng số liệu GNSS nói chung và số liệu đo GNSS hỗn hợp (GPS/GLONASS) nói riêng hoàn toàn là hướng chuyên sâu chưa được quan tâm đúng mức ở nước ta Việc ứng dụng được phương pháp của thế giới cho

số liệu Việt Nam thực sự là phương án tiếp cận, tiên tiến và hiệu quả Đánh giá và quản ly được chất lượng số liệu đo GNSS từ việc phân tích số liệu đo bằng phần mềm được thừa nhận trên trường quốc tế là phương pháp định lượng, dựa trên các chỉ tiêu cụ thể là cách tiếp cận sáng tạo, tranh thu được sự hợp tác quốc tế, ít tốn kém và kết quả có độ tin cậy cao.

Với các y nêu trên trên, việc lựa chọn và thực hiên đề tài với tiêu đề:

“Kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trước bình sai bằng phần mềm

TEQC” mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong quá trình ứng dụng công nghệ

GNSS trong thực tế ở nước ta.

2 Mục tiêu của đề tài

Khai thác được phần mềm TEQC để kiểm tra được chất lượng số liệu

đo GNSS trước khi bình sai.

3 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa: Thu thập các tài liệu đề cập đến độ chính xác số liệu đo GNSS đã có; cập nhật các thông tin trên mạng internet; tổng hợp, phân tích các tài liệu và các kết quả nghiên cứu, kế thừa có chọn lọc các thành quả có liên quan đến đề tài; tổng hợp, đánh giá các kết quả nghiên cứu của đề tài;

- Phương pháp thu thập dư liệu: Thu thập số đo hỗn hợp GNSS; thu thập phần mềm phục vụ cho việc đánh giá chất lượng số liệu đo.

- Phương pháp tin học: Sử dụng phần mềm phục vụ cho việc phân tích, đánh giá chất lượng số liệu đo.

4 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu những kiến thức cơ bản về sai số của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS.

- Tìm hiểu về phần mềm TEQC đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS.

- Sử dụng phần mềm TEQC để đánh giá đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS thực nghiệm.

5 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS.

Chương 2: Cơ sở để kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS

Chương 3: Thực nghiệm kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS.

Ngoài nhưng phần nêu trên luận văn còn có các phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục.

Chương 1 TÔNG QUAN VỀ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SỐ LIỆU ĐO GNSS 1.1 Khái quát về số liệu đo GNSS

1.1.1 Số liệu từ các máy thu GNSS

* Số liệu đo GNSS

Sau mỗi ca đo, dư liệu thu thập từ máy thu được chuyển vào máy tính

để xử ly Tuỳ theo kỹ thuật định vị được sử dụng và thiết bị lưu trư (máy thu hoặc thiết bị điều khiển) mà sau mỗi ca đo cần được chuyển vào máy tính để giải phóng bộ nhớ trên các thiết bị cho các ca đo hay các công trình tiếp theo.

Cấu trúc số liệu đo GNSS được trút ra từ các máy thu có quy luật của riêng tương ứng với mỗi máy thu đó và thường thì các cấu trúc số liệu đo GNSS sẽ bao gồm:

- Số hiệu máy (số Serial, một số máy ghi đầy đu số Serial, một số máy ghi 4-5 ky tự Serial) Số hiệu máy này dùng để nhận biết tệp số liệu đo trút từ máy mỗi loại máy thu.

- Thứ tự ngày trong năm (gồm 3 số từ 001-365 nếu không phải năm nhuận và từ 001-366 nếu là năm nhuận) Như vậy, nếu biết thứ tự ngày trong năm và biết năm đo GNSS thì ta có thể tìm ngược trở lại ra ngày tháng năm.

- Thứ tự ca đo trong ngày gồm thứ tự ca đo sẽ từ 0-9, nếu số ca đo quá

10 ca/ngày thì nó sẽ đánh thứ tự theo vần alphabet (A-Z).

Trong các chương trình bình sai GNSS, khi nhập số liệu vào thì phần mềm (mặc định khi cài phần mềm, nó có dấu tích vào 4 ky tự, tức là lấy 4 ky

tự đầu tiên) sẽ lấy 4 ky tự đầu tiên của tệp số liệu đo GNSS làm tên điểm Trong thông tư 25 BTNMT cũng đề cập rõ cách đặt tên tệp GNSS bao gồm: 4

ky tự đầu là “Tên điểm” + 3 ky tự là “Thứ tự ngày trong năm” + “Thứ tự ca

đo” trong ngày.

Với mỗi loại máy thu GNSS, số liệu đo sẽ có các định dạng mở rộng tương ứng Một số định dạng phần mở rộng của các tệp số liệu đo đó là *.t00,

*.t01, *.t02, *.dat, *.tgd, *.cap, *.org, *.r17, *.rt17, *.r27, *.rt27.

- Các máy thu Trimble 4000ssi được sử dụng để thực hiện công trình

đo địa động của Viện địa chất Các tệp số liệu đo có dạng *.dat (CAD12640.dat, CAD12641.dat, NPU11360.dat, NPU11361.dat,…).

1.1.2 Số liệu dạng RINEX

RINEX là cụm từ viết tắt của Receiver Independent Exchange thể hiện các tệp số liệu đo GNSS đã được chuẩn hóa về ASCII, không phụ thuộc vào loại máy thu Các phần mềm xử ly số liệu của các hãng chế tạo máy thu GNSS khác nhau đều có chức năng chuyển đổi số liệu đo sang dạng Rinex.

Cho tới nay, có 6 loại tệp Rinex dạng ASCII:

- Tệp số liệu đo (Observation Data File).

- Tệp lịch vệ tinh (Navigation Message File).

- Tệp số liệu khí tượng (Meteorological Data File).

- Tệp lịch vệ tinh GLONASS (GLONASS Navigation Message File).

- Tệp lịch vệ tinh GEO (GEO Navigation Message File).

- Tệp số liệu đồng hồ máy thu, vệ tinh (Satellite and Receiver Clock

Date File).

Các tệp Rinex được ky hiệu tổng quát TTTTdddc.yyt trong đó:

- TTTT: 4 ky tự ky hiệu tên điểm đo.

- ddd: ngày trong năm (DOY) của trị đo đầu tiên.

- c: ky hiệu ca đo trong ngày.

Trong các loại tệp số liệu trên, phần tiếp theo sẽ trình bày về tệp số liệu

đo vì các ứng dụng đều liên quan tới tệp dạng này Muốn hiểu và ứng dụng được loại tệp số liệu này phải nắm vững về các trị đo chứa trong đó.

- Trị đo pha trên một hay hai tần số là trị đo trên tần số pha giữa tín hiệu nhận được từ vệ tinh và tần số liên quan được phát ra bởi máy thu Trị đo

pha được biểu diễn bởi số nguyên chu kỳ ở sóng L1 và L2 của pha sóng mang Nửa chu kì được đo bằng loại máy cầu phương cần phải chuyển đổi sang dạng số nguyên chu kì và được báo hiệu ở phần đầu tệp RINEX Đơn vị

đo là số nguyên chu kì.

- Trị đo mã (code) tương đương với hiệu thời gian khi nhận tín hiệu (được biểu diễn trong khung thời gian của máy thu) và thời gian của sự lan truyền (biểu diễn theo khung thời gian của vệ tinh) của tín hiệu vệ tinh Khoảng cách giả là khoảng cách từ anten của máy thu tới anten của vệ tinh kèm theo độ lệch thời gian giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh và các sai số khác Khoảng cách giả có đơn vị là mét.

- Trị đo thời gian là thời gian được quan trắc của máy thu ngay tại thời điểm trị đo pha hoặc mã có hiệu lực Thời điểm của trị đo là thời gian (của đồng hồ máy thu) khi nhận tín hiệu Thời điểm này có hiệu lực cho cả trị đo pha và trị đo mã và tất cả các vệ tinh quan trắcđược tại thời điểm (record) này.

Giá trị thời gian được biểu diễn trong khung thời gian GPS.

- Trị đo Doppler tín hiệu của hiệu ứng Doppler được coi như trị đo đi kèm

và mang dấu dương khi vệ tinh tiến tới gần Đơn vị của trị đo Doppler là Hz.

Số liệu đo của GNSS chuyển về dạng RINEX thường có 2 tệp là:

Tệp thông tin đạo hàng, chứa các số liệu quỹ đạo vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh và tình trạng của hệ thống.

Tệp này có phần đuôi là *.YYn (hoặc *.nav), *.YYg,… tùy thuộc máy thu thu tín hiệu vệ tinh của hệ thống định vị nào, trong đó YY là 2 số cuối của năm (số liệu đo) Nội dung của tệp thông tin đạo hàng của các máy thu cùng

ca đo thường như nhau.

Tệp số liệu đo, chứa các trị đo khác nhau như trị đo khoảng cách giả theo code, trị đo pha song tải, trị đo Doppler,…

Tệp này có phần đuôi là *.YYo hoặc *.obs (observation).

Đối với các trị đo, các quy định trong RINEX như sau:

- C là trị đo khoảng cách giả (C1), (P1, P2) có đơn vị mét.

- L là trị pha song tải (L1, L2) có đơn vị là chu kỳ.

- D là trị đo hiệu khoảng cách Doppler (D1, D2) có đơn vị là mét.

LLI: only bit 0 (loss of lock bit) supported COMMENT

HUN1 MARKER NAME Unknown

MARKER NUMBER Unknown Unknown OBSERVER /

AGENCY

2002813 SEPT ASTERX2E 3.0-r34961 REC # / TYPE / VERS APS-3 APS_APS-3 NONE ANT # / TYPE

-1571100.0083 5731225.4632 2308718.7012 APPROX POSITION XYZ

1.4921 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N

1 1 WAVELENGTH FACT L1/2

6 C1 L1 L2 P2 P1 C2 # / TYPES OF OBSERV

30.000 INTERVAL

2013 3 28 0 10 0.0000000 GPS TIME OF FIRST OBS

2013 3 28 22 54 30.0000000 GPS TIME OF LAST OBS

55 # OF SATELLITES END OF HEADER

20189809.272 620189811.114 7

7 REC # / TYPE / VERS Máy thu, kiểu loại, phiên bản

10 ANTENNA: DELTA H/E/N Yếu tố lệch tâm cua anten

12 # / TYPES OF OBSERV

Các loại trị đo:

L1, L2: trị đo pha trên L1 và L2 C1: trị đo tựa khoảng cách bằng mã C/A trên L1

C2: trị đo tựa khoảng cách bằng mã C/A trên L2

P1, P2: trị đo tựa khoảng cách bằng

mã P trên L1, L2

20, 21 Số vệ tinh tại thời điểm

18G15G02G26G24G05G18G29G09 G12G25R19R14

R06R18R15R05R20R04

Giá trị các loại trị đo: C1 L1

L2 P2 P1 C2

20189809.419 106098160.96508 82673899.33906 20189811.190 20189809.272 20189811.114

… Các giá trị lần lượt tương ứng với các loại trị đo, nối liên tiếp nhau thành một chuỗi giá trị đo cho đến khi kết thúc quá trình thu tín hiệu Trong suốt quá trình thu tín hiệu một vài giá trị của một số loại trị đo có thể bị khuyết do không thu được tín hiệu Nhưng các giá trị vẫn được sắp xếp theo thứ tự, chỗ nào bị khuyết thì được bỏ trống.

* Các khả năng ứng dụng tệp số liệu RINEX

- Ứng dụng lớn nhất mà tệp số liệu RINEX mang lại là số liệu được biến đổi sang dạng độc lập với máy thu, có thể xử ly bằng nhiều phần mềm khác nhau Có thể tiến hành các dự án có quy mô lớn, nhiều đơn vị, nhiều loại máy tham gia, mang lại hiệu quả về khoa học và kinh tế.

- Bên cạnh lợi ích to lớn đó, trong quá trình xử ly số liệu thực tế, nếu hiểu rõ các đặc điểm của tệp RINEX người sử dụng có thể có nhiều giải pháp hữu ích Dựa trên đặc điểm cơ bản của tệp số liệu RINEX là số liệu ở dạng ASCII có thể “nhìn thấy được” và vì vậy có thể xem xét, kiểm tra, hiện chỉnh, biên tập, cắt, dán,… như một tệp dạng text Với tệp số liệu dạng RINEX có thể nối các tệp số liệu (vì ly do nào đó bị đứt quãng như bị mất điện,…), biên tập lại các thông số đo ngoài thực địa (độ cao ăng ten, tên điểm,…).

- RINEX cũng đem lại rất nhiều hiệu quả hữu ích và rất đa dạng, tùy từng phần mềm cũng như nhiệm vụ phải giải quyết.

Việc kiểm tra chất lượng số liệu đóng một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình xử ly số liệu GPS có độ chính xác cao Vai trò của tệp RINEX cũng được thể hiện trong suốt quá trình này Để có thể chạy được phần mềm chuyển đổi, biên tập và kiểm tra chất lượng, số liệu đo phải chuyển sang dạng RINEX Không những vậy, tệp RINEX còn giúp xác định nguyên nhân ảnh hưởng tới chất lượng số liệu.

- Khi xử ly số liệu bằng các phần mềm, cần phải khai báo nhiều thông

số liên quan như độ cao ăng ten hoặc các thông số đo lệch tâm Tất nhiên phần mềm sẽ hỗ trợ cho các khai báo và xử ly các công đoạn này Tuy vậy với việc biên tập và chỉnh ly lại tệp RINEX một cách thích hợp các công đoạn này có thể giải quyết một cách đơn giản, hiệu quả và có thể thuận lợi hơn.

- Việc xử ly số liệu GNSS gắn liền với sự hợp tác và hỗ trợ quốc tế Từ

các tổ chức quốc tế người sử dụng có thể khai thác nhiều loại số liệu, dư liệu

hỗ trợ các phần mềm xử ly số liệu GNSS Các loại số liệu này (quan trọng nhất là số liệu đo của các trạm IGS, lịch vệ tinh chính xác) đều được lưu trư ở dạng RINEX Việc tìm hiều nắm vững ky hiệu các loại tệp này giúp người sử dụng có thể lựa chọn và khai thác các tệp số liệu phù hợp với yêu cầu.

1.2 Thực trạng của việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trên thế giới và ở Việt Nam

1.2.1 Tình hình việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS trên thế giới

Ngày nay, công nghệ GNSS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nói chung và ngành trắc địa nói chung Liên quan đến vấn đề kiểm tra chất lượng số liệu GNSS, các tổ chức và các nước trên thế giới đã thực sự quan tâm đến vấn đề này, điều này được thể hiện qua các công trình nghiên cứu, cụ thể như sau:

- Nhóm chuyên gia của UNAVCO (University NAVSTAR Consortium) tạo ra phần mềm TEQC để kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS

từ những năm 1984 Mục tiêu bao trùm của các phần mềm là phân tích số liệu

đo GNSS, đưa ra các chỉ tiêu định lượng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường dẫn, tầng khí quyển, thời gian chỉnh lại đồng hồ máy thu [2].

- Các Trung tâm dư liệu như trung tâm dư liệu GNSS khu vực tại Cơ quan Bản đồ và Geography (BKG) đã và đang sử dụng phần mềmTEQC để kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS [2] Với công nghệ GNSS phát triển như hiện nay, hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu của Trung Quốc, Galileo và các hệ thống định vị vệ tinh khu vực như QZSS hoặc IRNSS và các hệ thống tăng cường khu vực (SBAS), các tín hiệu và tần số mới và các định dạng mới như RTCM-MSM và RINEX 3 cần kiểm tra chất lượng một cách linh hoạt.

- Cơ quan BKG cùng với Đại học Kỹ thuật Prague (CTU) đã phát triển công cụ BKG Ntrip Client (BNC) trong đó có các tính năng đặc biệt để chỉnh sửa và kiểm soát chất lượng số liệu đo GNSS Công cụ này cho phép phân tích ảnh hưởng đa đường dẫn (Mp) và tỷ số tín hiệu-nhiễu (SNR) [2].

- Phòng thí nghiệm chu chốt về kỹ thuật chính xác Khảo sát và biến dạng Giám sát thiên tai tỉnh Hồ Nam đã sử dụng phần mềm TEQC để phân tích đa nhiễu, nhiễu tín hiệu và nhiễu tín hiệu, những yếu tố chính làm giảm chất lượng dư liệu GNSS Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, hiện tượng trượt chu kỳ, nhiễu xạ tín hiệu và hiệu ứng đa đường kém là do ăng ten GNSS dưới cây; có nhiễu tín hiệu điện từ gần trạm cơ sở truyền thông không dây và trạm radar nhưng ít hơn gần vị trí đường dây điện cao thế; ăng ten không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu phản hồi khi ăng ten ở trên mặt nước [3],…

Qua các phân tích nêu trên cho thấy, việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS đã và đang được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới.

1.2.2 Tình hình việc kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS ở Việt Nam

Trong nước, số liệu GNSS sau khi được thu thập ngoài thực địa được trút sang máy tính, sau đó được đưa vào các phần mềm xử ly nhằm nhận được các thành quả trắc địa khác nhau Việc kiểm tra và quản ly chất lượng số liệu

đo để đảm bảo độ chính xác cao cho giai đoạn xử ly số liệu hầu như vẫn chưa được quan tâm Vì vậy, trong thực tế đã có những tệp số liệu đo không xử ly được hoặc xử ly được song chất lượng thành quả chưa đạt được yêu cầu mà không rõ nguyên nhân nên khó có thể khắc phục Điều này đã gây ra nhiều khó khăn về chuyên môn cũng như kinh phí, đặc biệt cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao như lưới GNSS quốc gia, các lưới nghiên cứu chuyển dịch kiến tạo,…

Liên quan đến việc đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS thì có công trình của PGS.TS Vy Quốc Hải được công bố vào năm 2004 Trong công trình này, chất lượng đồng hồ của bộ 3 máy thu Trimble 4000 SSI được trang

bị năm 1997 của Viện Địa chất đã được đánh giá trên cơ sở ứng dụng phần mềm QC, TEQC giai đoạn từ 1997 đến 2004 [4].

Tiếp tục công việc này, trong nghiên cứu [5], số liệu đo GNSS được phân tích nhằm đánh giá chất lượng đồng hồ bộ ba máy thu Trimble nói trên trên cơ sở số liệu được thu thập từ 2004 đến 2013 Kết quả nghiên cứu đã chỉ

ra rằng 3 máy thu vẫn đáp ứng được yêu cầu khai thác, phục vụ thu tín hiệu hai tần số cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao.

Qua các kết quả này nhận thấy, số liệu đo GPS đã được kiểm tra chất lượng ở nước ta Tuy nhiên, chưa có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này Bên cạnh đó, các văn bản pháp quy của Nhà nước chưa đề cập đến việc đánh giá chất lượng số liệu đo GNSS.

1.3 Vấn đề cần nghiên cứu

Từ phân tích ở trên cho thấy, việc đánh giá và quản ly chất lượng số liệu GNSS là hướng chuyên sâu chưa được thực sự quan tâm ở nước ta, đặc biệt là đối với số liệu hỗn hợp Như ta đã biết, số liệu của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu không chỉ có số liệu của hệ thống GPS mà còn có số liệu của các hệ thống khác như GLONASS, GALILEO,… Máy thu GNSS ngày nay

có thể thu được tín hiệu đa hệ, số liệu thu ở dạng hỗn hợp ví dụ như số liệu hỗn hợp GPS/GLONASS,GPS/GLONASS/SBAS,…

Việc ứng dụng được phương pháp của thế giới cho số liệu Việt Nam thực sự là phương án tiếp cận, tiên tiến và hiệu quả Đánh giá và quản ly được chất lượng số liệu đo GNSS từ việc phân tích số liệu đo bằng phần mềm được thừa nhận trên thế giới là phương pháp định lượng, dựa trên các chỉ tiêu cụ

thể là cách tiếp cận sáng tạo, tranh thu được sự hợp tác quốc tế, ít tốn kém, kết quả có độ tin cậy cao Chính vì vậy, vấn đề đánh giá chất lượng số liệu đo hỗn hợp GPS/GLONASS đã được đặt ra để nghiên cứu Với việc áp dụng phần mềm TEQC để đánh giá chất lượng số liệu hỗn hợp sẽ mang lại nhiều lợi ích thiết thức về mặt kĩ thuật cũng như kinh tế TEQC giúp theo dõi và nắm chắc thiết bị thu GNSS để kiểm tra chất lượng số liệu đo GNSS nhằm khắc phục kịp thời các sự cố kỹ thuật ngoài thực địa để số liệu đo đảm bảo chất lượng.

Chương 2

CƠ SỞ ĐỂ KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SỐ LIỆU ĐO GNSS

2.1 Các phương pháp đo GNSS

2.1.1 Phương pháp đo tuyệt đối

Đo GNSS tuyệt đối là cách làm sử dụng GNSS nhằm xác định vị trí của điểm đặt máy vệ tinh trong hệ thống tọa độ xác định WGS-84 Thành phần tọa độ trong hệ thống này có thể bao gồm X, Y, Z được xác định trong hệ tọa

độ vuông góc địa tâm hoặc B, L, H được sử dụng ứng dụng trong hệ tọa độ mặt cầu.

Với cách làm này khi đã xác định chính xác vị trí các vệ tinh thì việc tiếp theo bạn cần làm đó là chỉ cần xác định được khoảng cách từ máy tới 3

vệ tinh, bằng việc này ta sẽ xác định được tọa độ các điểm theo phương pháp giao hội cạnh.

Bằng phương pháp này ta có thể xác định được các thông tin khác nhau tuy nhiên nó còn chứa một ẩn số chưa xác định là t Vậy làm sao có thể tìm ra được ẩn số trên cần phải có tối thiểu 4 khoảng cách giả từ máy thu đến 4 vệ tinh để có thể lập được một phương trình xác định ẩn t dưới đây:

(Xs1 - X)2 + (Ys1 - Y)2 + (Zs1 - Z)2 = (R1 – c.t)2

(Xs2 - X)2 + (Ys2 - Y)2 + (Zs2 - Z)2 = (R2 – c.t)2

(Xs3 - X)2 + (Ys3 - Y)2 + (Zs3 - Z)2 = (R3 – c.t)2(Xs4 - X)2+ (Ys4 - Y)2 + (Zs4 - Z)2 = (R3 – c.t)2

(2.1)

trong đó:

Xs1 ,Ys1 ,Zs1 là toạ độ địa tâm của vệ tinh thứ i;

Ri là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh thứ i;

X, Y, Z là toạ độ địa tâm cần xác định của điểm đặt máy.

Hình 2.1 Phương pháp đo tuyệt đối

Với các hệ thống GNSS đo như hiện nay, tại một điểm bất kỳ được xác định trên mặt đất bạn có thể xác định được từ 4 đến 8 vệ tinh, có trường hợp lên đến 10 vệ tinh trên bầu trời Khi đó sử dụng phương pháp số bình phương nhỏ nhất để xử ly số liệu tìm ra toạ độ các điểm và đánh giá độ chính xác mà kết quả đo này.

2.1.2 Phương pháp đo tương đối

Đo GNSS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu đặt ở 2 điểm khác nhau để xác định hiệu toạ độ ΔX, ΔY, ΔZ hoặc ΔB, ΔL, ΔH của chúng trong hệ toạ độ WGS-84.

Để thu được hệ toạ độ với độ chính xác cao, người ta sử dụng nguyên

ly đo hiệu pha sóng tải.

Nếu tại 2 điểm quan sát, trong cùng một thời điểm thu tín hiệu của một hoặc hai vệ tinh, sẽ tạo ra được phân sai bậc 1, bậc 2 và bậc 3 của pha sóng tải Các phân sai này sẽ khử bớt ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau nhưsai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai số toạ độ vệ tinh,…

Hình 2.2 Phương pháp đo tương đối

Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát một vệ tinh p tại cùng một thời điểm ti, lập được 2 phương trình, suy ra phân sai bậc 1 Trong phân sai bậc 1 này sai số đồng hồ vệ tinh được loại bỏ.

Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát 2 vệ tinh p và q tại cùng một thời điểm ti, lập được phân sai bậc 2 dựa trên cơ sở các phân sai bậc 1 Trong phân sai bậc 2 này sai số đồng hồ máy thu được loại bỏ.

Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát 2 vệ tinh p và q tại cùng 2 thời điểm ti và tj ta lập được phân sai bậc 3 dựa trên cơ sở các phân sai bậc 2 tại 2 thời điểm Trong phân sai bậc 3 loại trừ được số nguyên đa trị N để tìm ra khoảng cách đo duy nhất.

Thông thường trong thời điểm quan sát có từ 4 đến 8 vệ tinh cùng xuất hiện trên bầu trời Bằng cách tổ hợp từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo Mặt khác khi đo tương đối cần phải quan sát vệ tinh trong khoảng thời gian dài từ nửa giờ đến vài ba giờ Như vậy số trị đo dùng để xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm là rất lớn, lúc đó ta xử ly số liệu theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất sẽ thu được ΔX, ΔY, ΔZ có độ chính xác cao, có sai số cỡ

centimét thậm trí tới milimét.

2.1.3 Phương pháp đo vi phân

Phương pháp đo GNSS tuyệt đối thường cho độ chính xác kém, sai số toạ độ cỡ hàng chục mét Người ta khắc phục nhược điểm này bằng cách sử đồng thời hai máy thu, định vị theo phương pháp vi phân.

Nội dung của phương pháp đo GNSS vi phân như sau:

Một máy cơ sở đặt cố định tại điểm A đã biết toạ độ (XA, YA, ZA), một máy khác di chuyển đến đo tại cần xác định B Trong quá trình đo 2 máy đồng thời quan sát vệ tinh Máy cơ sở A đo được giá trị toạ độ tính từ vệ tinh

là (XSA, YSA, ZSA) rồi so sánh với giá trị toạ độ đã biết sẽ tìm ra số cải chính:

ΔX = XA - XSA, ΔY = YA - YSA, ΔZ = ZA - ZSA (2.2)

Lúc này ở vị trí điểm đo B máy thu cũng thu được giá trị toạ độ tính từ

vệ tinh (XS

B, ZSB) Nếu khu đo không lớn, có thê coi môi trường trong khu đo là đồng nhất thì số cải chính ở máy cố định A có thể được truyền tới máy di động B để tính cải chính cho điểm đo B Lúc toạ độ của điểm B sẽ là :

XB = XS

B +ΔX , YB = YS

B + ΔY, ZB = ZS

B +ΔZ (2.3)

2.2 Các nguồn sai số trong đo GNSS

Trong định vị vệ tinh, các nguồn sai số được chia thành ba nhóm:

- Sai số liên quan đến vệ tinh.

- Sai số phụ thuộc vào sự lan truyền tín hiệu.

- Sai số liên quan đến máy thu.

Ngoài ba nhóm nguồn sai số này còn có các sai số do người đo ảnh hưởng

đến kết quả đo GNSS như: cân bằng máy, đo cao anten, đặt nhầm điểm,…

Các nguồn sai số trên đều có thể được khắc phục để đảm bảo độ chính xác cho kết quả đo GNSS Sau đây đề tài sẽ trình bày chi tiết hơn về các nguồn sai số trong định vị vệ tinh và cách khắc phục các nguồn sai số gây ra.

Hình 2.3 Một số nguồn sai số trong đo GNSS

2.2.1 Sai số liên quan đến vệ tinh

Sai số liên quan đến vệ tinh gồm ba nguồn sai số chính đó là sai số đồng hồ vệ tinh, sai số quỹ đạo vệ tinh và sai số do đồ hình vệ tinh.

* Sai số đồng hồ vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian Trong đo khoảng cách bằng sóng ánh sáng hay sóng điện từ, sai số thời gian ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo.

Cách khắc phục:

- Đối với định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệu chỉnh vào khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định

vị Sai số này được xác định nhờ vào đa thức đồng hồ vệ tinh được cung cấp theo lịch vệ tinh, do đó tính được số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh.

- Trong định vị tương đối, để loại bỏ ảnh hưởng do sai số đồng hồ vệ tinh gây ra, người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ hai trạm quan sát đến cùng một vệ tinh.

* Sai số quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo có độ cao cách mặt đất khoảng 20.200 km Ở độ cao như vậy, vận tốc vệ tinh khoảng 3.8 km/s Khi định vị

sử dụng lịch vệ tinh quảng bá, mặc dù lịch vệ tinh này cung cấp 16 tham số quỹ đạo dựa trên sáu yếu tố quỹ đạo Kepler và liên tục được cập nhật lại sau 2 giờ nhờ đoạn điều khiển nhưng tọa độ vệ tinh Xj(t), Yj(t), Zj(t), xác định được vẫn chứa sai số khoảng 2.5 m, đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn đến kết quả định

vị tuyệt đối nhưng được giảm thiểu trong định vị tương đối.

Trong định vị tương đối, một số nguồn sai số hệ thống có thể được mô hình hóa và làm giảm trong kết quả quan trắc Một số khác có thể được loại

bỏ nhờ xử ly thích hợp khi phối hợp các trị đo Thí dụ như khi lấy hiệu số (sai phân) giữa các máy thu đồng thời sẽ loại bỏ được sai số sai lệch do máy thu Còn khi lấy hiệu số bậc hai của khoảng cách giả (sai phân bậc cao) sẽ tự loại

bỏ được sai số hệ thống gây ra do cả vệ tinh và máy thu.

Sai số tọa độ vệ tinh ảnh hưởng đến độ chính xác xác định cạnh theo công thức sau:

(2.4) trong đó:

ms là sai số tọa độ vệ tinh.

ρ là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh.

là sai số tương đối chiều dài cạnh đo (baseline).

Nếu sai số vị trí vệ tinh khoảng 2 m, với khoảng cách ρ xấp xỉ 20.000

km thì sai số tương đối chiều dài cạnh đo xấp xỉ 10-7 Trong trường hợp cần

xử ly với độ chính xác cao, người ta phải sử dụng lịch vệ tinh chính xác vì lịch vệ tinh chính xác cho sai số quỹ đạo trong khoảng 5 ÷ 10 cm.

Hình 2.4 Quỹ đạo của vệ tinh

Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:

- Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tính chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt.

Thu nhận lịch vệ tinh chính xác từ Dịch vụ địa động học Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics - IGS)

Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm khoảng 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với

lịch vệ tinh thông báo của hệ thống chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh.

a Đồ hình vệ tinh xấu b Đồ hình vệ tinh tốt

- VDOP là độ làm giảm độ chính xác tọa độ theo chiều đứng.

- TDOP là độ làm giảm độ chính xác cự ly, tương đương với sai lệch đồng hồ máy thu (Time DOP).

- Kết hợp ảnh hưởng của dạng hình học của các vệ tinh và các sai lệch

do đồng hồ máy thu được gọi là độ làm giảm chính xác hình học GDOP (Geometric DOP).

- PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP).

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5 với xác xuất 90% thời gian Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP nhỏ hơn 6.

2.2.2 Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu

Tín hiệu vệ tinh khi lan truyền từ vệ tinh đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí quyển gồm nhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu

là hai tầng ảnh hưởng nhiều nhất tới sự lan truyền tín hiệu từ vệ tinh gọi là hiệu ứng khí quyển ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh Ngoài ra do hiện tượng phản xạ, tín hiệu vệ tinh đến máy thu có thể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn.

* Ảnh hưởng của tầng điện ly

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của tầng điện ly tới khoảng cách giả [6]

tín hiệu trong mặt phẳng ngang, con số đó tăng thêm Đây là nguồn sai số đáng kể, cần nghiên cứu để loại bỏ hoặc giảm thiểu.

Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo có giá trị trung bình trong khoảng 5 ÷ 10 m, lớn nhất có thể đến 50 m.

Trạng thái điện ly là không thể đoán trước được.Nhưng tín hiệu có tần

số khác nhau thì mức ảnh hưởng của tầng điện ly cũng khác nhau Do đó để giảm ảnh hưởng của sai số do tầng điện ly nên sử dụng máythu đa tần.

Hình 2.6 Ảnh hưởng của tầng điện ly

* Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất đến độ cao khoảng 50

km Trong tầng đối lưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ không phụ thuộc vào tần số sóng tải, được chia thành ảnh hưởng của phần khô (trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt (dưới thấp) Qua khảo sát thấy rằng, ảnh hưởng của phần khô chiếm 90% còn ảnh hưởng của phần ướt chỉ là 10%.