Khảo sát độ chính xác kỹ thuật định vị DGPS và ứng dụng trong việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn

- Khảo sát so sánh độ chính xác kỹ thuật định vị DGPS với số cải chính của hai hệ thống trên ở nhiều khu vực khác nhau bằng nhiều phương pháp đo khác nhau.. TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MÃ SỐ NGÀNH : 60.52.85

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tháng 12/2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ LÊ TRUNG CHƠN

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , Ngày tháng năm 2008

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG THANH HẢI Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/07/1980 Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật trắc địa MSHV: 02205526

I - TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DGPS VÀ

ỨNG DỤNG TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TỶ LỆ LỚN

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu kỹ thuật định vị DGPS với số cải chính của hệ thống OmniSTAR và của trạm phát Vũng Tàu

- Khảo sát so sánh độ chính xác kỹ thuật định vị DGPS với số cải chính của hai hệ thống trên ở nhiều khu vực khác nhau bằng nhiều phương pháp đo khác nhau

- Nghiên cứu ứng dụng và đề xuất sử dụng trang thiết bị và dịch vụ cung cấp số cải chính trong công tác thành lập bản đồ địa hình đáy sông biển, đo đạc thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính và những ứng dụng khác

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên nghành thông qua

Ngày tháng năm 2008

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô trong Bộ môn Địa Tin Học đã

giảng dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học và làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Trung Chơn đã tận tình giúp đỡ hướng

dẫn tôi hoàn thành luận văn đúng trọng tâm và chỉ dẫn tận tình để giải quyết

những vấn đề cần thiết

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đã luôn giúp đỡ và là

nguồn động viên to lớn giúp tôi hoàn thành luận văn này

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu độ chính xác của phương pháp định vị DGPS với số cải chính của hệ thống OmniSTAR và của trạm phát Vũng Tàu Qua đó đem lại cái nhìn tổng quan về kỹ thuật định vị DGPS ở Việt Nam, độ chính xác đạt được, ưu điểm cũng như hạn chế của từng hệ thống Đề tài cũng đưa ra một số máy thu để tiến hành thử nghiệm từ đó có thể giúp cho người sử dụng lựa chọn trang thiết bị phù hợp với yêu cầu công việc của mình

Trên cơ sở đó đề tài cũng đề xuất ứng dụng kỹ thuật định vị DGPS vào công tác đo đạc thành lập bản đồ đáy sông biển, công tác thành lập bản đồ địa chính, địa hình Khuyến cáo sử dụng máy thu và nhà cung cấp số cải chính để đáp ứng yêu cầu độ chính xác và mang lại hiệu quả kinh tế

2.3 MỘT SỐ NGUỒN PHÁT VÀ CÁC THIẾT BỊ HIỆN NAY ĐANG SỬ

DỤNG TẠI VIỆT NAM PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐO ĐẠC

2.5.2 Các dịch vụ của hệ thống 28

2.7 CÁC THÔNG ĐIỆP RTCM-104 Input/Output 32

CHƯƠNG 3 CÔNG TÁC THU THẬP SỐ LIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC

3.2 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 423.2.1 QUI TRÌNH THU THẬP SỐ LIỆU ĐO DGPS 433.2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC 44

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DGPS VỚI SỐ

CẢI CHÍNH CỦA HỆ THỐNG OMNISTAR VÀ TRẠM PHÁT VŨNG TÀU

4.1.1 ĐO TĨNH KHÔNG MỐC 46

4.3.3 ĐO ĐỘNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG KHU DÂN CƯ BÌNH

5.3 ĐO ĐẠC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ GIAO THÔNG (TỶ LỆ 1:5000 &

2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ƯNG DỤNG TRONG VIỆC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ TỶ LỆ LỚN

2.1 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại điểm VT1

103-104

2.2 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại điểm VT2

105-1062.3 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại mốc M

107

2.4 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

2.5 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại mốc DG7

110-1112.6 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại mốc GA

112-113

2.7 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

2.8 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình khi đo tại điểm CP2

3.2 BẢN VẼ THỂ HIỆN ĐỘ LỆCH KHI ĐO TRÊN TUYẾN THẲNG TẠI

DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BỂU

Hình 2.4 Các trạm tĩnh và phạm vi phủ sóng của vệ tinh (OmniSTAR) 26

Hình 3.8 Giao diện chương trình DGPS acuracy cài đặt các tham số giao tiếp với

Hình 4.3 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

bình của từng máy thu tại mốc M

55

Hình 4.5 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

Hình 4.7 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

Hình 4.9 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

Hình 4.10 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện độ lệch giá trị vĩ độ (B), kinh độ (L) theo giá trị trung

Hình 5.1 Các tuyến trắc dọc và trắc ngang trong khảo sát địa hình đáy sông 85

Bảng 4.7 Bảng đánh giá độ hội tụ trong định vị điểm mốc GPS8 58

Bảng 4.9 Bảng đánh giá độ hội tụ trong định vị điểm mốc DG 7 61

Bảng 4.11 Bảng đánh giá độ hội tụ trong định vị điểm mốc GA 69

Bảng 4.16 Bảng thể hiện độ lệch tuyến của các máy thu khi đo động 82

Bảng 5.2 Sai số địa vật tương ứng từng tỷ lệ bản đồ địa hình 92Bảng 5.3 Sai số điểm độ cao tương ứng từng tỷ lệ bản đồ địa hình 93Bảng III.1 Bảng đánh giá độ chính xác khi khảo sát tại Vũng Tàu 94Bảng III.2 Bảng đánh giá độ chính xác khi khảo sát tại Nhơn Trạch – Đồng Nai 95Bảng III.3 Bảng đánh giá độ chính xác khi khảo sát tại Tp HCM 95Bảng III.4 Bảng đánh giá độ chính xác khi khảo sát tại Cần Thơ 96Bảng III.5 Bảng đánh giá độ chính xác khi khảo sát tại Châu Phú – An Giang 96

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ định vị GPS, khả năng định vị điểm nhanh chóng có độ chính xác cao đã mở ra một xu hướng mới trong đo đạc Đặc trưng của phương pháp đo là kỹ thuật định vị DGPS cho phép định

vị điểm tức thời và đạt được độ chính xác cao vượt trội hơn phương pháp định vị tuyệt đối thời gian thực Với những ưu điểm trên, kỹ thuật DGPS ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực như: khảo sát, đo đạc, thành lập bản đồ địa hình, bản đồ giao thông, dẫn đường hàng hải, giám sát các đối tượng di chuyển (taxi, xe buýt)… Tuy nhiên, trên thực tế sản xuất do nhu cầu khác nhau về độ chính xác đòi hỏi chúng

ta phải lựa chọn phương pháp đo DGPS và nhà cung cấp dịch vụ số cải chính cũng như yêu cầu trang thiết bị hợp lý phù hợp với từng công việc để đảm bảo tính hiệu quả

và kinh tế

Đó chính là hướng nghiên cứu của đề tài nhằm nghiên cứu phương pháp định

vị DGPS, các thiết bị định vị DGPS và các dịch vụ cung cấp số cải chính trong đó có dịch vụ cung cấp số cải chính của trạm phát quốc gia và của hệ thống OmniSTAR Đồng thời nghiên cứu quy phạm yêu cầu độ chính xác các lĩnh vực như công tác thành lập bản đồ địa hình đáy sông biển, thành lập bản đồ giao thông, bản đồ địa chính, bản

đồ địa hình , từ đó đề xuất những loại thiết bị, nhà cung cấp số cải chính, phương pháp đo và những ứng dụng phù hợp vào hoạt động sản xuất của doanh nghiệp

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:

- Tìm hiểu phương pháp định vị DGPS

- Độ chính xác đạt được của kỹ thuật định vị này

- Các thiết bị định vị DGPS trên thị trường và các dịch vụ cung cấp số cải chính

- Nghiên cứu độ chính xác của thiết bị định vị với các dịch vụ cung cấp:

+ Kỹ thuật định vị DGPS với số cải chính của trạm Beacon Vũng Tàu

+ Kỹ thuật định vị sử dụng số cải chính của hệ thống OmniSTAR

ƒ Dịch vụ VBS (Virtual Base Station)

ƒ Dịch vụ HP (High Performance)

Với mỗi dịch vụ số cải chính, đo thực nghiệm để khảo sát độ chính xác Từ

đó tìm ra ưu khuyết điểm của từng dịch vụ để đề xuất ứng dụng vào thực tế công tác đo đạc

Vì phương pháp định vị DGPS có độ chính xác phụ thuộc chất lượng máy thu, nhà cung cấp số cải chính cũng như khoảng cách từ máy thu đến trạm Beacon (trong đề tài sử dụng số cải chính của trạm phát Vũng Tàu và hệ thống OminiSTAR) Nên quá trình thu thập dữ liệu được tiến hành ở những khu vực trãi dài từ gần đến xa trạm phát Vũng Tàu: khu vực gần trạm phát là thành phố Vũng Tàu, khu vực trong phạm vi 40 km là huyện Nhơn Trạch- Đồng Nai, khu vực trong bán kính 70 km là thành phố Hồ Chí Minh, khu vực trong bán kính 150 km là thành phố Cần Thơ và cuối cùng khu vực trong bán kính 220 km là huyện Châu Phú – An Giang

3 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN:

- Tìm hiểu nguyên lý định vị DGPS

- Các phương pháp định vị DGPS, độ chính xác của từng phương pháp

- Kỹ thuật định vị bằng số cải chính của trạm phát Vũng Tàu

- Kỹ thuật định vị bằng số cải chính của hệ thống OmniSTAR

- Tìm hiểu nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả định vị và hướng khắc phục

nguồn sai số đó

- Tổ chức thu thập số liệu thực tế để đánh giá độ chính xác đạt được đối với

kỹ thuật định vị DGPS với số cải chính của hệ thống OmniSTAR và của trạm phát Vũng Tàu

- Tìm ra ưu và khuyết điểm của từng loại máy thu trong từng điều kiện thực

tế, ưu khuyết điểm của từng dịch vụ cung cấp số cải chính và đề xuất ứng dụng thực tế

- Yêu cầu độ chính xác vị trí điểm trong đo đạc thành lập địa hình đáy

- Yêu cầu độ chính xác trong công tác thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200,

PHẦN II: NỘI DUNG

-

CHƯƠNG 1 CÔNG NGHEÄ GPS

1.1 HỆ TOẠ ĐỘ VÀ CAO ĐỘ GPS:

Trong công nghệ GPS thường dùng hệ toạ độ địa tâm Descartes (Earth Centered Cartesian Coordinates – ECFXYZ) và hệ toạ độ trắc địa WGS-84 (World geodetic System – 1984)

1.1.1 Hệ toạ độ địa tâm Descartes:

- Hệ toạ độ địa tâm Descartes trong trắc địa là hệ toạ độ vuông góc 3 chiều nhận tâm của Ellipsoid trái đất làm gốc toạ độ, nhận trục quay qui ước của trái đất làm trục Z, nhận giao tuyến của mặt phẳng kinh tuyến qua đài thiên văn Greenwich và mặt phẳng xích đạo trái đất làm trục X và trục Y nằm trên mặt phẳng xích đạo vuông góc trục X,

Z tạo thành tam diện thuận

1.1.2 Hệ toạ độ trắc địa WGS–84:

- Hệ toạ độ trắc địa WGS 84 là hệ toạ độ địa lý nhận Ellipsoid WGS-84 làm chuẩn

Hình 1.1: Hệ toạ độ địa tâm

(CTP) trong chuyển động cực Trục X là giao của mặt phẳng kinh tuyến tham chiếu WGS 84 (kinh tuyến tham chiếu song song với kinh tuyến zero được xác định bởi BIH trên cơ sở của hệ toạ độ nhận được từ các trạm BIT) và mặt phẳng xích đạo Trục

Y hợp với trục X và trục Z tạo thành tam diện thuận

Ellipsoid WGS-84 và các hằng số liên hợp:

Hệ số bậc 2 hàm điều hồ

chuẩn của thế năng trái đất C2 , 0 -484,16685x 10-6

Vận tốc gĩc Trái đất (rads-1) ω 7292115 x 10-11rads-1

Hằng số trọng lực trái đất

(kể cả khối lượng khí quyển trái

là độ cao Geoid (ký hiệu là h)

Giữa độ cao ellippsoid và độ cao Geoid cĩ mối quan hệ theo cơng thức:

H = h + N Trong đĩ N là độ chênh giữa hai mặt Ellipsoid WGS-84 và mặt Geoid

* Mặt Geoid của hệ WGS-84:

Hình 1.2: Hệ độ cao GPS

Geoid là mặt cong mà trên đó tại mọi điểm đều có phương dây dọi trùng với phương pháp tuyến Chức năng chủ yếu của mặt Geoid là cung cấp một mặt tham chiếu cho cao độ so với giá trị mực nước trung bình (h) trên cả hai phần của thế giới

mà ở đó số liệu gốc tính toán (datum) cao độ trắc địa nhận được từ các trạm triều ký Một phần cung cấp các dữ liệu định vị của hệ WGS-84 trong các vùng tại đó các cao

độ Geoid của hệ WGS-84 bằng với cao độ trắc địa WGS-8 Phần còn lại cung cấp một loạt số đo số học của sự thể hiện Ellippsoid xấp xỉ so với mực nước biển trung bình của trái đất

1.2 HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

- Hệ thống này do Bộ Quốc Phòng và Hải Quân Mỹ thực hiện từ những năm 70 và hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994 GPS là tên viết tắt của tên đầy đủ Global Positioning System Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định toạ độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm cần xác định đặt trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ và trên đất liền phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự

vệ tinh đã là 31 vệ tinh (tính đến ngày 01/12/2008), vệ tinh mới nhất là vệ tinh GPS IIR-M1 được phóng lên quỹ đạo vào ngày 15/03/2008

Hình 1.3: Các vệ tinh GPS trên quỹ dạo

1.2.2 Bộ phận điều khiển :

- Bao gồm 5 trạm quan sát đặt ở Hawai (Thái Bình Dương), Ascension (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) và Colorado Spring Trạm Colorado Spring đồng thời cũng là trạm điều khiển trung tâm

- Nhiệm vụ của trạm điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ trên đó Tất cả các dữ liệu quan trắc ở mỗi trạm đều được chuyển về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý các số liệu quan trắc để có Ephemerit chính xác của vệ tinh và số cải chính đồng hồ trên vệ tinh, sau

đó chuyển các dữ liệu này đến các trạm mặt đất và từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh cùng các lệnh đều khiển khác Như vậy là các thông tin đạo hàng và các thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hoá và chúng được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1, L2 Việc chỉnh hoá như thế được tiến hành 3 lần trong 1 ngày

- Để phân loại trong sử dụng người ta căn cứ vào khả năng máy thu khi xử lý các trị

đo mã hay trị đo pha sóng mang và chia thành 4 nhóm máy thu GPS như sau:

Hình 1.4: Mạng lưới các trạm điều khiển GPS

+ Nhóm 1 : Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C/A trên tần số L1 thường là loại máy cầm tay có từ 1 đền 6 kênh, số liệu xuất ra là kinh độ, vĩ độ và độ cao + Nhóm 2 : Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng tải L1 thường gọi tắt là máy thu

1 tần số Có từ 4 đến 12 kênh Máy có thể lưu giữ mã thời gian và pha tải trong bộ nhớ, có máy tính hoặc băng từ để lưu trữ số liệu đo Các kiểu máy sản xuất hiện nay còn lưu giữ số liệu đo trong chip bộ nhớ

+ Nhóm 3 : Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng tải L1, L2 thường gọi tắt là máy thu 2 tần số

+ Nhóm 4 : Máy thu xử lý mã Y và 2 pha sóng tải L1, L2 chỉ có quân đội Mỹ

và đồng minh mới có

1.2.4 Sơ lược về tín hiệu phát của các vệ tinh trong hệ thống định vị toàn cầu

- Các vệ tinh thuộc hệ thống GPS phát đi hai tín hiệu pha vô tuyến kết hợp: sóng tải L1 và sóng tải L2 Hai tín hiệu này là hai sóng cực ngắn, sóng tải L1 phát đi dưới tần

số 1575,42 MHz, sóng tải L2 phát ở tần số 1227,60 Sóng tải L2 cho phép xác định ảnh hưởng của tầng điện ly trong thời gian tín hiệu đi qua Sóng tải L1 được điều biến với 2 mã đo xa nhiễu giả ngẫu nhiên PRN (pseudo random noise): mã tinh P (precise) hay mã bảo vệ (protected), mã thô C/A (coarse/acquisition) hay là mã thông (clear/Access)

THÔNG BÁO HÀNG HẢI

50 BPS

SÓNG MANG L2 1227,60 MHz

MÃ P 10,23 MHz

Hình 1.5: Tín hiệu GPS

x 154

x 120

1/ 10

- Các máy dân dụng sử dụng mã thô C/A để nhận các thông tin về GPS Mã tinh P chỉ dùng cho mục đích quân sự

- Mỗi vệ tinh có mã thô C/A và mã P duy nhất riêng nhằm cung cấp nét nhận dạng

vệ tinh phục vụ cho sự thu nhận và theo dõi vệ tinh Mã thô C/A có chiều dài 1023 byte với chu kỳ là 1 miligiây Tần số tải này được điều biến ở tần số 1,023 MHz (với chiều dài bước sóng λ =300m) Mã P rất dài khoảng 2,351014 byte chu kỳ mã 267 ngày Tần số tải của mã P được điều biến ở tần số 10,23 MHz (vớiλ =30m)

- Tín hiệu GPS cũng được điều biến bằng NAVDATA Dòng dữ liệu này cung cấp các dữ liệu lịch về vệ tinh đã được báo trước và giờ hệ thống, phương pháp xử lý đồng

hồ vệ tinh cho hoạt động của ngày kế tiếp và các thông tin về tình trạng hoạt động của tất cả các vệ tinh

- Dữ liệu phát tín NAVDATA được cập nhật hàng giờ và và có giá trị trong vòng 4 giờ

1.2.5 Các loại sai số khi định vị bằng GPS :

Khi định vị bằng GPS có 2 loại sai số tác động vào kết quả đo

ƒ Sai số hệ thống phụ thuộc vào vệ tinh GPS

Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Hình 1.6: Cấu trúc tín hiệu GPS

- Bản lịch vệ tinh là một phần thông tin chính chủ yếu trong thông điệp vệ tinh gởi đến các máy thu để xử lý tính ra toạ độ của từng vệ tinh trong tầm nhìn tại thời điểm thu nhận tín hiệu

o Sai số do đồng hồ vệ tinh:

Các đồng hồ lắp đặt trên vệ tinh tuy cực kỳ chính xác nhưng cũng có sai số từ

10-13- 10-15 trong 1 ngày Nhưng vì tốc độ lan truyền tín hiệu sóng điện từ rất lớn 300.000 km/s nên ảnh hưởng không nhỏ đến kết quả đo:

∆D = v ∆t

Để loại trừ sai số này người ta dùng phương pháp đo tĩnh tương đối xác định vector khoảng cách giữa hai máy thu đồng thời gian

o Chính xác S/A (seclective availability)

Sai số này do Bộ quốc phòng Mỹ chu động điều hành từ 3/1990 và đã ngưng vào 5/2000 Tác dụng của S/A làm giảm độ chính xác khi đo mã C/A bằng cách làm rung đồng hồ vệ tinh và đưa các sai số vào bản lịch vệ tinh

ƒ Các sai số phụ thuộc vào máy thu

o Sai số toạ độ trạm đo

- Việc xác định đường đáy (base line) căn cứ vào việc cố định tọa độ của một trạm đo và khảo sát tọa độ của trạm đo còn lại Tọa độ này có vai trò rất quan trọng trong việc tính gia số ∆x, ∆y, ∆z của đường đáy

- Nếu sai số toạ độ tuyệt đối của một đầu đường đáy giảm được từ 1m đến 2m thì tọa độ chính xác của ∆x, ∆y, ∆z có thểtăng thêm được 0.1m

Hình 1.7: Quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng đến kết quả đo

o Các sai số do đồng hồ máy thu :

- Vì các đồng hồ nguyên tử Cesium và Rubidium rất đắt tiền nên trong các máy thu GPS thông thường chỉ được trang bị những đồng hồ tinh thể thạch anh chất lượng cao với độ chính xác vào khoảng 10-10 giây Do đó giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu luôn luôn không đồng bộ về thời gian

- Để khắc phục sai số này trong quá trình đo phải thu được tín hiệu đồng thời tối thiểu 4 vệ tinh Lúc đó máy thu sẽ xác định được 4 khoảng cách giả đến 4

vệ tinh, đó là 4 trị đo cần thiết đủ để giải 1 hệ phương trình 4 ẩn X, Y, Z ,T

ƒ Các sai số hệ thống do môi trường truyền sóng:

Môi trường truyền sóng giây ra 3 loại sai số hệ thống chủ yếu trong quá trình lan truyền từ vệ tinh đến máy thu

o Sai số do tầng điện ly

- Tầng điện ly là 1 vùng đầu tiên của khí quyển cách mặt đất từ 50 km –

1000 km chứa những phân tử khí bị ion hoá do bức xạ tử ngoại của tia sáng mặt trời gây nên

- Khi các tín hiệu GPS truyền qua môi trường này bị khúc xạ làm cho đường đi của tín hiệu bị bẻ cong tạo ra sai số đo khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh hay còn gọi là thời trể do tầng điện ly

Hình 1.8: ảnh hưởng của tầng điện ly đến kết quả đo

o Sai số do tầng đối lưu:

- Tầng đối lưu là vùng khí quyển tính từ mặt đất đến cao độ 80km

- Tín hiệu GPS cũng bị khúc xạ trong vùng này tạo ra thời trể tầng đối lưu

- Các sóng L1 và L2 đều khúc xạ giống nhau trong tầng đối lưu nên cả máy

2 tần số cũng không có khả năng khắc phục ảnh hưỏng của nguồn sai số này

o Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường xung quanh:

Sai số này có 2 nguồn gây ra: Một là do các nguồn phát sóng ngắn xung quanh máy thu như các đài truyền hình, điện thoại di động; hai là do hiện tượng đa đường truyền

* Hiện tượng đa đường truyền

- Nếu antenna máy thu đặt gần các vật có bề mặt phẳng xạ thì ngoài tín hiệu trực tiếp theo đường thẳng từ vệ tinh, antenna máy thu còn nhận thêm các tín hiệu phản xạ do các bề mặt này làm cho các trị đo khoảng cách thường bị sai số lớn hơn

Hình 1.9: Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Hình 1.10 Hiện tượng

1.2.5.2 Sai số ngẫu nhiên:

- Sai số khi định vị bằng GPS có thể chia làm hai loại: loại ảnh hưởng đến trị đo khoảng cách và loại ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả xác định tọa độ tuyệt đối X,

Y, Z

Loại ảnh hưởng đến trị đo khoảng cách có thể kể đến là :

▪ Sai số do trượt chu kỳ pha:

- Khắc phục trong bước tiền xử lý hoặc lấy hiệu giữa các thời điểm thu tín hiệu Các máy đời sau rất ít xảy ra hiện tượng này

▪ Sai số do biến động tâm: (nhỏ hơn 1 cm bỏ qua sai số này)

Loại ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả xác định tọa độ X, Y, Z là hình học cấu hình

vị trí vệ tinh GPS:

▪ Ảnh hưởng của hình học cấu hình vệ tinh GPS được thể hiện bằng các yếu tố

về độ suy giảm chính xác DOP (Dilution of precision):

+ DOP là 1 trị số vô hướng thể hiện tác động của hình học cấu hình đối với độ chính xác vị trí điểm

1.2.6 Các phương pháp định vị GPS :

1.2.6.1 Định vị tuyệt đối:

ƒ Định vị tuyệt đối theo giá trị của mã

- Khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh có thể tính được theo khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu mã của vệ tinh và máy thu Do sự không đồng bộ giữa đồng hồ

vệ tinh, đồng hồ máy thu và do ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu, nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu Người ta gọi nó là khoảng cách giả:

)()

()

i

j i

j

i =ρ + Δδ Trong đó:

ρ : khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát

c : tốc độ lan truyền tín hiệu

)

(t

j i

δ

Δ : sai số do sự dịch chuyển đồng hồ của vệ tinh và máy thu

2 2

) ) ( ( )

i

j i

j j

Xi , Yi , Zi : 3 ẩn số toạ độ của điểm quan sát

Nếu ký hiệu số vệ tinh là n j và số thời điểm là n t ( thời gian bắt được tín hiệu vệ

tinh ) thì phương trình có ý nghĩa sử dụng là:

)(.)(.)()(t t c t c t

ƒ Định vị tuyệt đối theo pha sóng tải:

Các sóng tải L1,L2 được sử dụng cho định vị với độ chính xác cao Nội dung của phương pháp là đo hiệu số pha giữa pha sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do máy thu tạo ra

Mô hình toán học của phương pháp đo này là :

)()

(

1)(t t N j f j j t

i

j i

φ : tính hiệu pha đo được theo chu kỳ

λ : bước sóng của sóng tải

j (t)

i

ρ : khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu

Ni j: một số nguyên chưa biết

f j : tần số của tín hiệu vệ tinh, tính theo chu kỳ trên giây

Nếu ký hiệu số vệ tinh là nj và số thời điểm là nt (thời gian bắt được tín hiệu vệ tinh) thì phương trình có ý nghĩa sử dụng là :

)()

(

1)()

(t f t t N j f i j t

i

J i j

j j

λδ

njnt ≥ 3 + n t + nj

1.2.6.2 Định vị tương đối :

Định vị tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau A và B (A là điểm đã biết toạ độ, B là điểm chưa biết) để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian (∆XAB , ∆YAB, ∆ZAB) hay hiệu toạ độ mặt cầu (∆BAB , ∆LAB, ∆HAB) trong hệ toạ độ WGS 84

ƒ Định vị tương đối tĩnh :

Phương pháp định vị tương đối được thực hiện trên cơ sỡ sử dụng đại lượng đo

là pha sóng tải Để đạt độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải, nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số, như sai số giữa đồng hồ vệ tinh và đồng

hồ máy thu, sai số toạ độ vệ tinh, số nguyên đa trị …

Tại 2 trạm A và B, tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm t, ta có sai phân bậc 1 được lập như sau:

)()

(

1)(t t N j f i AB t

AB

J AB

j AB

J AB

j

AB(t)= 1 ρ (t)+N

λφ

(nj –1)nt ≥ 3 + (nj –1)

Hình 1.11: Định vị điểm tuyệt đối

Trong sai phân này hầu như không còn sai số của đồng vệ tinh và máy thu Cũng ở 2 trạm A và B, tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào các thời điểm 1 và 2 ta có sai phân bậc 3:

)(

1)(t12 Jk t12

1.2.6.3 Phương pháp định vị RTK

Phương pháp này bao gồm một trạm base và trạm rover phương pháp này cho

độ chính xác rất cao đến centimet Phương pháp này sử dụng trị đo pha để giải ra đường đáy như cách thức đo tương đối tĩnh tuy nhiên do đòi hỏi thời gian thực nên yêu cầu số vệ tinh quan sát được phải lớn để giải số nguyên đa trị được nhanh chóng Một yêu cầu quan trọng khác là phải có kênh liên lạc giữa trạm phát (base)

và trạm động (rover) Dữ liệu thu được tại trạm phát sẽ được gởi đến trạm động để kết hợp giải ra vectơ đường đáy, từ đó xác định tọa độ tức thời của trạm động Tuy nhiên do vẫn cần thời gian giải đa trị nên phương pháp này thích hợp cho phương pháp đo dừng và đi (stop and go) hơn là cho các đối tượng di chuyển liên tục Một khuyết điểm khác của phương pháp RTK là tầm hoạt động bị khống chế do giới hạn của hệ thống thông tin liên lạc Ngoài ra việc chưa có chuẩn chung của thiết bị cũng là hạn chế cho người sử dụng

1.2.6.4 Phương pháp định vị DGPS

Về nguyên tắc kỹ thuật này giống như định vị điểm, tuy nhiên các giả cự ly thu được sẽ được cải chính trước khi dùng để tính ra toạ độ máy thu, các máy thu này

nhận được từ trạm phát thông qua bộ phận thông tin liên lạc Kỹ thuật dựa trên giả thiết tín hiệu GPS chịu chung một số sai số trên một vùng không gian nhất định, nhằm giảm hoặc loại bỏ phần lớn ảnh hưởng của những sai số giống nhau này lên việc ước lượng vị trí, vận tốc và thời gian của máy thu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DGPS

BEACON DGPS sử dụng các trạm tĩnh (BEACON) được xây dựng cố định, trên

đó đặt các máy thu GPS và các thiết bị phát sóng radio ở dải tần số từ 238.5 KHz đến 325.0 KHz Tầm hoạt động của trạm tĩnh tuỳ thuộc vào công suất thiết bị phát sóng radio nằm trong khoảng từ 200 Km đến 500 Km Độ chính xác đạt cỡ 1 – 5 m tuỳ thuộc vào khoảng cách đến trạm tĩnh

ƒ WADGPS (Wide area DGPS hoặc Satellite DGPS)

Trong trường hợp này tín hiệu cải chính phân sai được thu không phải từ trạm tĩnh mà từ vệ tinh địa tĩnh INMARSAT Các trạm cố định nằm rải rác ở các khu vực trên thế giới truyền tín hiệu vệ tinh về trạm trung tâm Trạm trung tâm truyền tín hiệu cải chính phân sai lên vệ tinh INMARSAT và máy thu GPS đặt ở trên tàu thuyền thu đồng thời tín hiệu GPS và tín hiệu cải chính phân sai để xử lý trong chế

độ real-time Công nghệ này áp dụng được ở vùng phủ sóng của vệ tinh địa tĩnh INMARSAT và trong tầm hoạt động của các trạm cố định Tầm hoạt động của hệ thống WADGPS đạt đến hàng ngàn km Độ chính xác định vị cỡ ≤ 5 m tuỳ thuộc khoảng cách đến trạm cố định

Hệ thống WADGPS đầu tiên được xây dựng với quy mô lớn nhất là hệ thống WAAS (Wide Area Augmentation System) của Mỹ do US-FAA (US federal Aviation Admistration) điều hành Hệ thống này được xây dựng để bảo đảm an toàn trong định vị cho ngành hàng không dân dụng của Mỹ bao gồm 25 trạm thu GPS đặt rãi rác khắp nước Mỹ Tương tự là hệ thống WAAS là hệ thống EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) đã được xây dựng ở Châu Âu, hệ thống MSAS (Multifunctional Transportation Satellite-Based Augmentation System) ở Nhật và hệ thống GAGAN (GPS And GEO Augument Navigation) ở Ấn Độ

Các hệ thống trên là hệ thống phục vụ riêng trên vùng một quốc gia, ngoài ra còn

có hệ thống phục vụ cho mục đích thương mại với phạm vi phủ sóng toàn cầu như OmniSTAR và Starfix của hãng Fugro và hệ thống Skyfix của hãng Racal

Mục đích của phần này là nghiên cứu các nguồn phát tín hiệu cải chính và các thiết bị thu DGPS hiện có Từ đó, phân tích tính phù hợp thực tế của công nghệ, thiết bị cho mục tiêu của đề tài đang quan tâm, đồng thời đề xuất giải pháp mang tính thực tiển về sử dụng các nguồn phát và các thiết bị thu DGPS trong điều kiện Việt Nam

2.3 MỘT SỐ NGUỒN PHÁT VÀ CÁC THIẾT BỊ THU DGPS HIỆN ĐANG SỬ DỤNG TẠI VIỆT NAM PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐO ĐẠC

2.3.1 Nguồn phát và các thiết bị thu DGPS sử dụng dải tần số cao UHF tại

Việt Nam

Công nghệ phát/thu tín hiệu DGPS sử dụng tần số cao UHF là loại công nghệ cần đầu tư thấp, đơn giản, dễ sử dụng, cho độ chính xác tương đối cao Công nghệ này đặc biệt phù hợp với việc phát/ thu tín hiệu cải chính phục vụ cho việc đo địa hình đáy sông, ven biển, hồ và đo vẽ mặt cắt lòng sông, tầm hoạt động hạn chế (<10 Km trên đất liền và <50 Km trên biển), địa hình khu đo cần bằng phẳng, không bị che khuất bởi các địa vật như cây cao, nhà cao v.v

2.3.2 Nguồn tín hiệu và các thiết bị thu DGPS sử dụng công nghệ BEACON

2.3.3 Nguồn tín hiệu và các thiết bị thu DGPS OMNISTAR

Đây là một nguồn tín hiệu cải chính mang tính chất thương mại toàn cầu do hãng FUGRO cung cấp đựợc xây dựng từ năm 1995 Để đảm bảo cho việc truyền các tín hiệu cải chính RTCM SC - 104 trên vùng rộng khoảng 2000 Km dùng đến

hệ thống vệ tinh địa tĩnh INMARSAT Ngoài ra để đảm bảo độ chính xác cải chính (3m) FUGRO phải xây dựng một hệ thống các trạm mặt đất và nối chúng thành mạng chuyển về trung tâm xử lý Tại Việt Nam, FUGRO sử dụng trạm cải chính mặt đất đặt tại Vũng tàu

2.4 GIỚI THIỆU TRẠM PHÁT GPS QUỐC GIA VŨNG TÀU:

Trạm phát Vũng Tàu là một trong năm trạm Beacon quốc gia

- Vị trí: trạm phát đăt tại 126A Đô Lương, phường 11, thành phố Vũng Tàu Vị trí tham khảo (ϕ = 10023’45,8095”N,λ= 107008’43,6409”E hay X=1150001.456 m, Y=734893.639 m, Kinh tuyến trung ương 1050)

- Trang thiết bị:

+ Hai máy thu hai tần số Trimble 4000 RS

+Một máy thu kiểm tra một tần số Trimble 4000 IM

+ Một máy phát SAC 1000 Dual System

vệ tinh địa tĩnh của hệ thống Hệ thống đảm bảo cung cấp dữ liệu 24/24H và cho kết quả định vị thời gian thực

2.5.1 Hệ thống OmniSTAR :

- Mạng lưới các trạm tĩnh trên thế giới [13]

Hình 2.3: Mạng lưới các trạm tĩnh trên thế giới Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của hệ thống OmniSTAR

Toàn hệ thống 6 khu vực :

- Eik EMS : mạng lưới các trạm tĩnh ở Châu Âu

- EA-SAT: mạng lưới các trạm tĩnh toàn bộ Châu Phi, một phần Châu Mỹ La Tinh

và Tây Á

- AP-SAT: Đông và Nam Á và một phần Châu Úc

- AM-SAT: Trung Mỹ, khu vực Ca-ri-bê và Nam Mỹ

- Optus: Khu vực Châu ÚC

- AMSC : Khu vực Bắc Mỹ

Hình 2.4: Các trạm tĩnh và phạm vi phủ sóng của vệ tinh

Hình 2.5: Các Khu Vực Trong Hệ Thống

Trong khu vực Đông Nam Á có các trạm sau:

Có thể nhận thấy rằng mật độ các trạm trong khu vực Đông Nam Á khá dầy đặc cho khả năng định vị cao

Để có thể sử dụng hệ thống này ta dùng dòng máy định vị đặc trưng OmniSTAR Series DGPS và phải trả phí thuê bao, máy thu đơn giản hoạt động ở chế độ vừa thu tín hiệu GPS từ vệ tinh GPS vừa thu tín hiệu từ vệ tinh địa tĩnh

Thật ra cấu tạo antenna thu OmniSTAR gồm hai phần: phần thu tín hiệu GPS được truyền đến bộ thu sóng GPS và phần tín hiệu cải chính từ vệ tinh địa tĩnh được truyền đến bộ tách sóng điều biến bên trong máy Thông điệp cải chính ở dạng RTCM SC-

104 được tính toán từ các trạm tĩnh đặt rải rác trên khắp thế giới sau đó được truyền lên vệ tinh địa tĩnh viễn thông đặt cách nhau 1200 trong không gian nhằm phủ sóng toàn thế giới Toạ độ các trạm tĩnh được đo nối vào lưới IGS thế giới nên độ chính xác khá cao nên ảnh hưởng của số liệu gốc vào trị số cải chính không đáng kể

2.5.2 Các dịch vụ của hệ thống:

Hiện nay hệ thống OmniSTAR cung cấp 3 dịch vụ định vị có độ chính xác khác nhau đó là VBS (Virtual Base Station), HP (High Performance), XP (Extended Position) [13]

¾ VBS (Virtual Base Station) :

Đây là dịch vụ sử dụng công nghệ DGPS truyền thống có độ chính xác thấp và

sử dụng kết quả định vị đo pha một tần số Độ chính xác đạt được 1-5 m

Trên thế giới có 45 trạm tĩnh có thể cung cấp tính hiệu số cải chính cho dịch vụ

HP [14]

Hình 2.6: Các trạm cung cấp số cải chính cho dịch vụ HP

¾ XP (Extended Position):

Đây là dịch vụ cho độ chính xác cao với phương pháp khác với 2 dịch vụ trên,

kỹ thuật sử dụng bản lịch quỹ đạo vệ tinh chính xác và các tín hiệu đã mã hoá của

hệ thống GPS mà không sử dụng dữ liệu cải chính của các trạm tham khảo cho kết quả tương đương với dịch vụ HP

2.6 CÁC THÔNG ĐIỆP CHUẨN NMEA – 0183:

Thông điệp chuẩn NMEA – 0183 là những dòng xuất dạng ký tự được HIỆP HỘI ĐIỆN TỬ HÀNG HẢI QUỐC TẾ (National Maritime Electronic Association) đề xuất để thống nhất dùng trong việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính

và các thiết bị đo đạc [15] Thông điệp này có nhiều dạng, mỗi dạng có một ký hiệu riêng để phân biệt các thông tin chứa bên trong Những thông tin bao gồm: thời gian, toạ độ, cao độ, số vệ tinh, tên vệ tinh, tình trạng,……

Đối với máy thu GPS, 3 ký tự đầu của thông điệp là $GP, theo sau là 3 ký tự biểu diễn tên riêng của thông điệp

Ví dụ: $GPRMC, $GPWPL, $GPZDA, $GPGLL, $GPGGA, $GPGSA,

$GPVTG, $GPZDA……

Dạng chi tiết một số thông điệp trong thông điệp chuẩn NMEA-0183 :

RMC: time, date, position, course and speed data ( only with Navigation Package Option)

5 Kinh độ của điểm định vị

6 E or W (Đông hoặc Tây)

5 Giờ địa phương so với giờ GMT, 0 - ± 13 giờ

6 Giờ địa phương so với giờ GMT, phút

GGA: time position, and fix related data

+ 2 = Định vị DGPS

7 Số vệ tinh bắt sóng được, 00 – 12

8 HDOP

9 Độ cao antena, so với hệ MSL

10 “M” thể hiện đơn vị đo đạc là mét (m)

11 Độ chênh giữa mặt nước biển trung bình và mặt ellipsoid

12 Thể hiện độ chênh dưới đơn vị mét (m)

13 Chế độ thu nhận dữ liệu vi phân DGPS “1” mã khi DGPS không sử

4 Phương kinh độ (Đông hoặc Tây)

5 Thời gian UTC

6 “A” dữ liệu hiện hữu (phù hợp)

2.7 CÁC THÔNG ĐIỆP RTCM – 104 INPUT/ OUTPUT

Là các thông điệp chuẩn ứng dụng trong việc truyền tải tín hiệu cải chính vi sai từ trạm tĩnh sang trạm động trong phương pháp định vị DGPS [15]

Field name Mô tả

Type ‘$DG’ bắt đầu mỗi thông điệp RTCM – 104

PRC: Số hiệu chỉnh giả cự ly (Pseudorange Correction) (type 1)

REF: Vị trí trạm tham khảo (Reference Station Position) (type 3)

DDC: Số hiệu chỉnh phân sai delta (Delta-Differential Correction) (type 2)

ACS: Thông báo đặc biệt (Special message) (type 16)

Stn Số hiệu trạm tham khảo (Reference station ID )

Hlt Tình trạng trạm tham khảo (Reference station health)

Zcnt Biến đềm thời gian (Z count time tag)

SV Số hiệu vệ tinh (Satellite number)

DPRC Số hiệu chỉnh giả cự ly (Pseudorange correction )

DRRC Số hiệu chỉnh thay đổi giả cự ly (Pseudorange rate correction)

IOD Số bản lịch (Ephemeris issue number)

UDRE Sai số ước tính hiệu khoảng cách (User differential range error

estimate)

X Pos

Y Pos

Z Pos

Tọa độ X,Y,Z (X, Y, and Z coordinates)

Csum Checksum; the exclusive or the characters (bytes) between ‘$’

and’*’