KHẢO sát cự LY GIỚI hạn của máy THU GPS một tần số

Máy thu hai tần số có ưu điểm hơn máy thu một tần số là khả năng khử đi ảnh hưởng của tầng điện ly, bằng cách kết hợp các trị đo pha trên hai tần số L1 và L2 để tạo thành trị đo L3 không

KHẢO SÁT CỰ LY GIỚI HẠN CỦA MÁY THU GPS MỘT TẦN SỐ

TẠI TP HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Ngọc Lâu (1) , Hồ Nguyễn Hoàng Vũ (2) , Dương Tuấn Việt (3)

(1)

Bộ môn Địa Tin Học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HỒ Chí Minh

(2) Phòng Kỹ Thuật, Xí Nghiệp TVTK Đường Bộ, Công ty cổ phần TVTK GTVT phía Nam

(3)

Phòng Địa Tin Học, Công ty Tư vấn Cảng và Kỹ thuật Biển PORTCOAST

TÓM TẮT: Bài báo khảo sát cự ly giới hạn của các máy thu GPS một tần số trong điều kiện

TP Hồ Chí Minh Chúng tôi đã đo và xử lý một số đường đáy phân bố theo hướng Bắc – Nam

và Đông - Tây Kết quả cho thấy máy thu GPS một tần số sử dụng không an toàn cho những đường đáy > 10 km tại TP Hồ Chí Minh và các vùng phụ cận

1 GIỚI THIỆU

Các máy thu GPS đo pha một tần số hiện đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam vì giá thành rẻ, trong khi vẫn đáp ứng được độ chính xác yêu cầu Máy thu hai tần số có ưu điểm hơn máy thu một tần số là khả năng khử đi ảnh hưởng của tầng điện ly, bằng cách kết hợp các trị đo pha trên hai tần số (L1 và L2) để tạo thành trị đo L3 không chứa độ trễ điện ly [1] Đối với các đường đáy ngắn, ảnh hưởng của tầng điện ly vào tín hiệu đến 2 máy thu ở hai đầu rất tương tự nhau Vì vậy việc lấy hiệu trị đo khoảng cách giữa hai máy thu đến cùng một

vệ tinh sẽ khử đi phần lớn ảnh hưởng này Tuy nhiên ảnh hưởng điện ly sẽ không còn tương

tự đối các máy thu cách xa nhau, khi đó phần dư của độ trễ điện ly trong trị đo hiệu đơn giữa các máy thu sẽ trở nên đáng kể và không thể bỏ qua Chính vì điều này mà một số nghiên cứu [3, 4] đề nghị chỉ sử dụng máy thu một tần số cho những đường đáy ngắn chỉ vài chục km Họat động của tầng điện ly xảy ra vào ban ngày mạnh hơn nhiều so với ban đêm, đặc biệt xung quanh thời điểm 14h – là thời điểm thường xảy ra các hoạt động đo GPS Việt Nam nằm trong vùng vành đai xích đạo - lại là nơi bị ảnh hưởng của tầng đối lưu nặng nhất [3] Vì vậy

ở khía cạnh người đo đạc, chúng ta có thể đặt ra câu hỏi là “sử dụng các máy thu GPS một tần

số ở TP Hồ Chí Minh nói riêng và Việt Nam nói chung để đo các đường đáy dài bao nhiêu là

an toàn?”

Để trả lời câu hỏi trên, chúng tôi đã tiến hành một nghiên cứu mà kết quả của nó sẽ được trình bày trong bài báo này

2 THIẾT KẾ BÃI ĐO THỰC NGHIỆM VÀ QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU

Để tìm ra cự ly giới hạn của đường đáy, chúng tôi đã thiết kế một số các đường đáy

(baseline) có chiều dài tăng dần theo kinh độ (hướng Đông) và vĩ độ (hướng Bắc) từ 10 km đến 50 km Vị trí các điểm đo được thiết kế dựa trên Bản đồ giao thông Tp.Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận và bằng chương trình Google Earth trên Internet để có thể chọn các điểm có

các đường đáy tương đối chính xác phục vụ đúng theo yêu cầu mục đích nghiên cứu

Trong công tác thu thập số liệu ngoài thực địa, chúng tôi sử dụng hai loại bộ máy thu GPS

2 tần số là Leica SR530 và Topcon Legacy E (hình 1) Các ca đo được bố trí theo bảng 1 Các

đường đáy dài từ 10km đến 35km được đo bằng máy Topcon Legacy E với thời gian thu tín hiệu là 2h30’ Còn các đường đáy dài 40 - 50 km, chúng tôi đo bằng máy Leica SR530 với thời gian thu tín hiệu là 3h Tốc độ thu dữ liệu là 15 giây Góc ngưỡng vệ tinh được cài là 10

Trang 2

Hình 1 Máy thu GPS 2 tần số Leica SR530 (trái) và Topcon Legacy E (phải)

Bảng 1 Bảng thời gian các ca đo GPS ngoài thực địa

Thời gian (theo giờ địa phương) Hướng Ngày đo

Chiều dài đuờng đáy (km) Bắt đầu Kết thúc

23/05/2006 10

15

08h16’00”

11h21’45”

10h46’30”

13h52’45”

18/07/2006

20

30

35

08h32’30”

12h50’30”

14h29’45”

11h02’45”

14h10’15”

15h49’00”

Đông

29/03/2007 40

50

08h56’15”

13h35’15”

13h00’00”

15h41’30”

01/0820/06

10

15

20

07h21’30”

10h23’00”

13h13’00”

09h49’00”

12h50’15”

15h47’00”

15/08/2006

35

30

25

08h31’00”

12h43’00”

14h53’00”

11h25’45”

14h28’45”

16h50’00”

Bắc

30/03/2007 40

50

12h48’30”

09h06’15”

15h52’00”

12h21’15”

3 XỬ LÝ DỮ LIỆU ĐO

Toàn bộ số liệu đo sau khi thu thập được xử lý bằng phần mềm Pinnacle Để so sánh,

chúng tôi tiến hành xử lý dữ liệu theo 2 cách riêng biệt: dùng trị đo L3 và dùng trị đo L1 Các chỉ số độ chính xác của việc xử lý được tổng hợp các bảng 2 và 3 Bảng 4 và 5 thể hiện độ lệch của các thành phần đường đáy của L1 so với L3

Cột trạng thái trong bảng 2 và 3 chỉ định kết quả nhận được ứng với quá trình giải đa trị

Nếu 100% tham số được giải ta nhận được nghiệm fix – là nghiệm có độ chính xác cao nhất

Nếu phần lớn các tham số đa trị được giải ta có nghiệm partial Và nếu quá trình giải đa trị

thất bại ta sẽ nhận được nghiệm float – là nghiệm có độ chính xác thấp nhất Theo đó đường

đáy có cự ly 25 km theo hướng Đông không cho nghiệm chính xác Điều này xảy ra là do ca

đo này được tiến hành trong khoảng thời gian ngắn (chỉ có 1h20’) và lại tiến hành vào buổi

trưa nên kết quả giải đa trị gặp thất bại đối với máy thu GPS một tần số

Bảng 2 Kết quả tổng hợp số liệu đo theo hướng Bắc (hướng tăng Vĩ Độ)

Chiều

dài

Đường

đáy

Trị đo m N

(mm)

E

m

(mm)

U

m

(mm)

MHorizontal

(mm)

MVertical

(mm)

RMS

(mm)

Trạng thái

10 Km

L3 2.9 4.5 9.2 5.35 9.2 10.6 Fix

15 Km

L1 2.8 4.7 9.7 5.47 9.7 13.0 Fix

L3 5.4 5.0 12.6 7.36 12.6 14.6 Fix

20 Km

L1 5.0 5.8 14.0 7.66 14.0 19.5 Fix

L3 5.3 7.3 16.0 9.02 16.0 18.3 Fix

25 Km

L1 7.3 9.9 20.9 12.30 20.9 24.3 Fix

L3 4.8 9.4 21.8 10.55 21.8 24.2 Fix

30 Km

L1 7.5 9.3 27.3 11.95 27.3 29.8 Fix

L3 5.8 7.3 21.8 9.32 21.8 23.7 Fix

35 Km

L1 6.2 8.0 22.0 10.12 22.0 24.3 Fix

L3 10.2 8.7 28.3 13.41 27.6 31.31 Fix

40 Km

L1 14.4 11.8 34.5 18.62 34.5 39.24 Fix

L3 11.2 9.8 32.3 14.88 31.2 35.55 Fix

50 Km

L1 17.5 14.8 49.8 22.92 49.8 54.85 Fix Bảng 3 Kết quả tổng hợp số liệu đo theo hướng Đông (hướng tăng Kinh Độ)

Chiều

dài

Đường

đáy

Trị đo m N

(mm)

E

m

(mm)

U

m

(mm)

MHorizontal

(mm)

MVertical

(mm)

RMS

(mm)

Trạng thái

10 Km

L3 6.6 5.5 17.8 8.59 17.8 19.8 Fix

15 Km

L1 7.6 5.5 15.3 9.38 15.3 17.9 Partial

L3 4.3 5.4 11.3 6.90 11.3 13.2 Fix

20 Km

L1 5.1 5.4 13.0 7.43 13.0 15.0 Fix

L3 9.5 13.0 37.0 16.10 37.0 40.3 Fix

25 Km

L1 67.9 198.1 146.1 209.41 146.1 255.4 Float

L3 6.2 9.1 17.7 11.01 17.7 20.8 Fix

30 Km

L1 7.0 10.1 18.0 12.29 18.0 21.8 Fix

L3 14.4 12.7 38.4 19.20 38.4 42.9 Fix

35 Km

L1 22.8 20.5 60.9 30.66 60.9 68.2 Fix

L3 7.90 7.80 24.50 11.10 24.50 26.87 Fix

40 Km

L1 8.50 8.60 26.70 12.09 26.70 29.35 Fix

Trang 4

L3 9.70 19.40 41.10 21.69 41.10 46.48 Fix

50 Km

L1 10.80 12.00 31.10 16.14 31.10 35.97 Fix Bảng 4 So sánh vector và chiều dài giữa L1 và L3 cho các đường đáy hướng Bắc

Độ lệch tọa độ (mm) Chiều dài

Đường đáy Bắc Đông Độ cao

Độ lệch chiều dài (mm)

50 Km -17.1 +34.9 +10.6 -21.7

Bảng 5 So sánh vector và chiều dài giữa L1 và L3 cho các đ ường đáy hướng Đông

Độ lệch tọa độ (mm)

Chiều dài Đường đáy Bắc Đông độ cao

Độ lệch chiều dài (mm)

4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Nhìn vào bảng 2 và 3, ta nhận thấy kết quả xử lý khi dùng trị đo L3 thường cho sai số

trung phương nhỏ hơn L1, đặc biệt đối với các cạnh dài Mặt khác L3 luôn cho trạng thái fix ở tất cả các đường đáy, còn L1 có hai trường hợp không nhận được nghiệm fix đều tập trung ở

hướng Đông Điều này nói lên tính chất ưu việt và ổn định của trị đo L3 đối với ảnh hưởng tầng điện ly

Nếu giả sử các kết quả nhận được từ việc xử lý L3 (XL3) là chính xác và tin cậy, thì tính hợp lệ của kết quả từ L1 (XL1) có thể được kiểm tra bằng điều kiện sau

|XL1 – XL3| < t×mXL3 (1) Trong đó mXL3 là sai số trung phương xác định XL3, còn t có thể nhận các giá trị 2.0 hay 3.0 tương ứng với xác suất 95% và 99% Dùng các kết quả đã cho ở bảng 2-5, ta vẽ được đồ thị độ lệch mặt bằng và độ cao, cùng với giá trị giới hạn (ứng với xác suất 99%) theo khoảng cách (hình 2)

0

10

20

30

40

50

Cac duong day huong Bac

-100

-50

0

50

100

Khoang cach (km)

0 20 40 60 80

Cac duong day huong Dong

-150 -100 -50 0 50 100 150

Khoang cach (km)

Hình 2 So sánh độ lệch tọa độ (dấu *) với giá trị giới hạn (đứt nét)

Theo hình 2 ta thấy rằng thành phần độ cao của L1 ở tất cả các cự ly đều hợp lệ vì nó luôn luôn nằm giữa các đường giới hạn Đối với thành phần mặt bằng, đa số các đường đáy hướng Bắc cho kết quả hợp lệ Ngược lại, các đường đáy hướng Đông thường vượt mức giới hạn, ngay cả ở đường đáy 10-15 km Vì vậy chúng tôi kết luận rằng ảnh hưởng của tầng điện ly vào các đường đáy phân bố theo hướng Đông – Tây rõ ràng hơn so với hướng Bắc – Nam

Cũng theo hình 2, ta thấy độ lệch tọa độ và sai số trung phương có xu hướng gia tăng theo

cự ly đường đáy Điều này không phải chỉ do ảnh hưởng tầng điện ly, mà còn những nguồn sai số khác như đa đường, ảnh hưởng tầng đối lưu cũng có xu hướng tăng theo chiều dài đường đáy

5 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN

Chúng tôi đã dùng các máy thu GPS hai tần số để đo kiểm tra một đường đáy có cự ly từ

10 – 50 km phân bố theo hai hướng Bắc – Nam và Đông – Tây tại thành phố Hồ Chí Minh

Trang 80

Việc xử lý dữ liệu này theo trị đo L3 và L1 cho phép chúng tôi kiểm tra tính hợp lệ của việc dùng các máy thu một tần số dưới ảnh hưởng của tầng điện ly

Ảnh hưởng của tầng điện ly vào các đường đáy theo hướng Đông – Tây rõ rệt hơn các đường đáy hướng Bắc - Nam Và mặc dù với thời gian ca đo tương đối dài (2h30 -3h) đã hỗ trợ tốt cho quá trình giải đa trị, nhưng ảnh hưởng điện ly vẫn làm cho kết quả xử lý đường đáy bằng L1 vượt khỏi giới hạn cho phép về độ chính xác mặt bằng Điều này có thể xảy ra ngay

ở cự ly 10 km Hiện nay người ta thường sử dụng GPS để khai thác chủ yếu thành phần mặt bằng Vì vậy chúng tôi kiến nghị rằng, các máy thu đo pha một tần số nên sử dụng cho các cự

ly <10 km là an toàn Ngoài ra cần chú ý kéo dài thời gian đo đối với những đường đáy phân

bố theo hướng Đông – Tây, và tránh lập ca đo xung quanh thời điểm 14h

ESTIMATION OF THE MAXIMUM LENGTH OF SINGLE FREQUENCY GPS

RECEIVERS IN THE AREA OF HOCHIMINH CITY

Nguyen Ngoc Lau (1) , Ho Nguyen Hoang Vu, Duong Tuan Viet

(1)

Department of Geomatics Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology

ABSTRACT: This paper estimates the maximum length of baselines that can be measured by

single frequency GPS receivers in the area of Ho Chi Minh City We observed and processed many baselines located in both North-South and East-West directions The results show that single frequency GPS receivers cannot be safely used for positioning baselines of more than

10 km in Ho Chi Minh City and the surrounding areas

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Klobuchar J.A, Ionospheric Effects on GPS, GPS World, 48-51 (1991)

[2] Leick A GPS Satellite Surveying John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey,

Canada (2004)

[3] Rizos C Principles and Practice of GPS Surveying School of Geomatics Engineering, the

University of New South Wales, Sydney, Australia (1996)

[4] Kleusberg A., and P.J.G Teunissen GPS for Geodesy Springer – Verlag, Berlin (1996)