Đánh giá độ chính xác của phương pháp đo gnss ppk đa trạm base trong công tác trắc địa bản đồ

Trị đo khoảng cách giả Trị đo khoảng cách giả là khoảng cách giả đo được từ vệ tinh đến tâm anten của máy thu, trong đó chứa sai số của máy thu đồng hồ thạch anh và đồng hồ vệ tinh đồng

VÕ MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO GNSS PPK

ĐA TRẠM BASE TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018

VÕ MINH TUẤN

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO GNSS PPK

ĐA TRẠM BASE TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ

Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ

Mã số: 8520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NG ƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Dương Thành Trung

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất

kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2018

Võ Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 4

1.1.SỰHÌNHTHÀNHCỦAHỆTHỐNGGPS 4

1.2.CẤUTRÚCCỦAHỆTHỐNGGPS 5

1.2.1 Đoạn không gian 6

1.2.2 Đoạn điều khiển 7

1.2.3 Đoạn sử dụng 8

1.3.CÁCĐẠILƯỢNGĐOGPS 8

1.3.1 Trị đo khoảng cách giả 8

1.3.2 Trị đo pha sóng tải 9

1.4.CÁCPHƯƠNGPHÁPĐOGPS 10

1.4.1 Đo GPS tuyệt đối 10

1.4.2 Đo GPS tương đối 12

1.5.CÁCNGUỒNSAISỐTRONGĐOGPS 18

1.5.1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh 19

1.5.2 Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu……….21

1.5.3 Sai số liên quan đến máy thu……… 22

CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ ĐIỂM TRONG GNSS 25

2.1.XỬLÝSỐLIỆUGNSS 25

2.1.1 Định dạng RINEX 26

2.1.2 Định dạng NGS-SP3 31

2.1.3 Định dạng tệp file RTCM SC-104 đối với dịch vụ DGPS 33

2.1.4 Định dạng file NMEA 0183 36

2.2.XỬLÝCÁCNGUỒNSAISỐ 38

2.2.1 Ảnh hưởng của tầng điện ly 38

2.2.2 Ảnh hưởng của tầng đối lưu 39

2.3.GIẢIBÀITOÁNTƯƠNGĐỐIĐỘNG 42

2.4.ĐINHVI TƯƠNGĐỐIĐỘNGVƠINHIÊUTRAMBASE 45

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 47

3.1.KHÁIQUÁTVỀCÔNGTÁCTHỰCNGHIỆM 47

3.2.THIẾTBỊĐOĐẠCTHỰCNGHIỆM 47

3.3.PHẦNMỀMXỬLÝSỐLIỆUPPK 48

3.4.CHITIẾTVỀCÔNGTÁCTHỰCNGHIỆM 49

49

3.4.2 So sánh độ chính xác giữa đo từ hai trạm Base với trạm Base đơn 50

52

52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Độ chính xác đo khoảng cách giả và các sóng tải 9

Bảng 1.2: Thời gian đo kiến nghị 15

Bảng 1.3: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh 18

Bảng 1.4: Mức độ ảnh hưởng của nhiễu máy thu đến các tín hiệu GPS 24

Bảng 2.2: Ví dụ về file đạo hàng GPS 29

Bảng 2.3: Lịch tuần của vệ tinh 30

Bảng 2.4: Ví dụ về file khí tượng RINEX 30

Bảng 2.5: Ví dụ về khu vực tiêu đề của một file SP3 32

Bảng 2.6: Ví dụ về khu vực tiêu đề của một file SP3 33

Bảng 2.7: Những dạng thông điệp RTCM hiện hành 35

Bảng 2.8: Cấu trúc chung của câu GGA 37

Bảng 2.9: Giải thích những thuật ngữ và ký hiệu trong câu GGA 37

Bảng 3.1: Kết quả tọa độ các điểm chuẩn 50

Bảng 3.2: Kết quả 51

Bảng 3.3: Kết quả ạm Base và trạm Base đơn 51

Bảng 3.4: ới số liệu chuẩn 52

Bả 53

Bảng 3.6: Kết quả ử sai số hệ thống 54

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo 6

Hình 1.2: Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS 7

Hình 1.3: Máy thu GPS cầm tay Hình 1.4: Dẫn đường xe ô tô bằng GPS 8

Hình 1.5: Sai phân bậc nhất 12

Hình 1.6: Sai phân bậc hai 13

Hình 1.7: Sai phân bậc ba 13

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô đun phần mềm đọc và xử lý dữ liệu GPS 25

Hình 3.1: Ainav-RTK 48

Hình 3.2: Giao diện chính của phần mềm xử lý số liệu tích hợp INS/GPS48 Và các giao diện module xử lý số liệu INS/GPS 48

Hình 3.3: Giao diện tích hợp lỏng xử lý số liệu tích hợp INS/GPS 49

Hình 3.4: Giao diện xử lý số liệu GPS 49

Hình 3.5: Sơ đồ vị trí các khu vực thực nghiệm 50

Hình 3.6: Sơ đồ tuyến đo 53

54

ử sai số hệ thống 55

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay công nghệ GNSS được sử dụng rộng rãi trong công tác Trắc địa bản đồ, từ công tác thành lập lưới khống chế cho đến công tác đo chi tiết

để thành lập các loại bản đồ địa hình, địa chính Phương pháp đo RTK với độ chính xác cỡ cm và cung cấp lời giải GNSS ở thời gian thực được áp dụng một cách phổ biến trong việc thu thập dữ liệu đo chi tiết Tuy vậy RTK vẫn có những hạn chế nhất định như hạn chế về khoảng cách chuyền tín hiệu liên tục

từ trạm cơ sở (trạm Base) đến trạm đo đạc (Rover) Trong khi đó, phương pháp đo động xử lý sau (PPK) có thể khắc phục vấn đề trên của phương pháp RTK Tuy nhiên phương pháp PPK cũng có hạn chế là không kiểm soát được

độ chính xác định vị tại thời điểm đo đạc Để nâng cao độ chính xác đo đạc bằng phương pháp PPK, chúng tôi đề xuất phương pháp đo và xử lý số liệu đo PPK với nhiều trạm Base

Vì vậy, đề tài “Đánh giá độ chính xác của phương pháp đo GNSS PPK

đa trạm Base trong công tác Trắc địa-Bản đồ” là rất cần thiết để làm rõ khả

năng sử dụng hiệu quả đạt độ chính xác cao của phương pháp này trong công tác Trắc địa bản đồ

2 Mục đích của đề tài

Đánh giá được độ chính xác và khả năng ứng dụng của phương pháp đo GNSS PPK sử dụng nhiều trạm Base trong công tác trắc địa bản đồ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Bài toán định vị tương đối động xử lý sau, các phần mềm

RTKlib, IGNAV, các máy thu GNSS bao gồm: Leica CORS, Ainav-RTK

Phạm vi nghiên cứu: Khu vực Hà Nội, Hưng Yên.

4 Nội dung của đề tài

Tìm hiểu về công nghệ GNSS và nghiên cứu phương pháp đo PPK trong GNSS Đo đạc, thu thập dự liệu thực địa sử dụng máy đo GNSS với phương pháp PPK sử dụng nhiều trạm Base

Xử lý số liệu và đánh giá độ chính xác của kết quả đo đạc Phân tích khả năng ứng dụng của phương pháp đã đề xuất trong công tác trắc địa bản đồ

5 Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo tài liệu, đo đạc thực nghiệm, phân tích thống kê, đánh giá

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận văn đã khẳng định được tính khả thi khi bố trí nhiều trạm Base trong sử dụng phương pháp đo PPK trong GNSS

Góp phần vào việc đẩy nhanh tiến độ, đảm bảo độ chính xác thực tiễn thi công trong công tác trắc địa bản đồ Phục vụ cho nhiệm vụ sản xuất kinh doanh đạt hiệu quả cao

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, kết cấu của luận văn được trình bày trong 3 chương gồm:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ GPS

Chương 2: Các thuật toán định vị điểm trong GNSS

Chương 3: Thực nghiệm

8 Lời cảm ơn

Sau một thời gian nghiên cứu dưới sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn

TS Dương Thành Trung Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Trắc địa- bản đồ, các đồng nghiệp đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tác giả Trong quá trình thực hiện luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS

1.1 SỰ HÌNH THÀNH CỦA HỆ THỐNG GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT Tiếp sau thành công bước đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS

Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS khối I Từ năm 1978 dến 1985 có 11

vệ tinh khối I đã được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc khối I đã hết hạn sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (khối II) bắt đầu vào năm 1989 Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã được triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ 12 giờ 58 phút, ở

độ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200 km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) được thiết kế thay cho những vệ tinh khối II, cho đến nay

đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo Gần như đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên

gọi GLONASS (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên GALILEO Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh Ngoài ra còn một số hệ thống định

vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi trên thế giới Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng, năm 1983 người ta đã xây dựng mạng lưới trắc địa ở Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lưới khác cũng được xây dựng ở Montgomery

County, Pennsylvania (Mỹ),

Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1991-1992 chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lưới tọa độ nhà nước hạng II ở những vùng khó khăn chưa có lưới khống chế (Minh Hải, Tây Nguyên, ) Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển, kết nối đất liền với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung Trong những năm 1995-1997 chúng ta đã xây dựng mạng lưới GPS cấp “0”, trên cơ sở đó thành lập hệ quy chiếu Quốc gia mới (VN-2000) cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 4.527 điểm theo thông tin dữ liệu Đo đạc và Bản đồ 2018) Hiện nay,

hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), đươc ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu quả

1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS

GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment):

- Đoạn không gian (Space Segment);

- Đoạn điều khiển (Control Segment);

- Đoạn sử dụng (User Segment)

1.2.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo (mỗi mặt phẳng có 4 vệ tinh), nghiêng với mặt phẳng xích đạo Trái Đất một góc khoảng 55 độ Vệ tinh có độ cao cỡ 20200 km so với bề mặt Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo gần tròn với chu kỳ 718 phút Do sự phân bố như vậy mà bất kỳ thời điểm nào, ở bất kỳ vị trí nào trên Trái Đất cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh

Hình 1.1: Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo

Chương trình đưa các vệ tinh lên quỹ đạo được chia làm các khối (Block) Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng và tuổi thọ lớn hơn Năng lượng cung cấp cho hoạt động của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời Mỗi vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở

là f0= 10,23 MHz Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10-12 Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra các tần số sóng tải L1,

L2 và L5 Việc giám sát và hiệu chỉnh tần số các đồng hồ vệ tinh là một trong các chức năng của đoạn điều khiển

1.2.2 Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống định vị GPS Đoạn này gồm 1 trạm điều khiển trung tâm (MCS) được đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Springs và 4 trạm theo dõi đặt trên mặt đất là: Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương)

Hình 1.2: Vị trí các trạm trong đoạn điều khiển của hệ thống GPS

1.2.3 Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích và yêu cầu khác nhau mà người sử dụng như dẫn đường trên biển, trên bầu trời, trên đất liền và cho công tác Trắc địa Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà máy GPS ngày càng được hoàn thiện Cùng với các loại máy thu người ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu nhận được từ vệ tinh

Hình 1.3: Máy thu GPS cầm tay Hình 1.4: Dẫn đường xe ô tô bằng GPS

1.3 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS

1.3.1 Trị đo khoảng cách giả

Trị đo khoảng cách giả là khoảng cách giả đo được từ vệ tinh đến tâm anten của máy thu, trong đó chứa sai số của máy thu (đồng hồ thạch anh) và đồng hồ vệ tinh (đồng hồ nguyên tử) cũng như sự chậm thời gian do ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu Mỗi vệ tinh GPS luôn phát đi cùng với sóng tải một code tựa ngẫu nhiên riêng (PRN- code) và khoảng cách giả

sẽ được xác định dựa trên khoảng thời gian từ khi phát tín hiệu đến khi thu tín

hiệu PRN- code Để làm được điều đó máy thu GPS sẽ tạo ra code tựa ngẫu nhiên giống như code phát ra từ vệ tinh So sánh code nhận được theo thang thời gian đồng hồ vệ tinh và code máy thu tạo ra theo thang đồng hồ máy thu,

ta xác định được khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Khoảng cách giả nhận được:

1.3.2 Trị đo pha sóng tải

Trong kỹ thuật vô tuyến điện, người ta đã xác định được độ chính xác do khoảng cách cỡ 1% bước sóng Trong bảng 1.1 sẽ cho ta thấy sự so sánh độ chính xác đo khoảng cách giả R với việc sử dụng các sóng tải L1 và L2 và các tín hiệu C/A-code, P-code

Bảng 1.1: Độ chính xác đo khoảng cách giả và các sóng tải

chính máy tạo ra Ký hiệu Φ (0<Φ<2π) là hiệu số pha do máy thu được, ta có thể viết:

N là số nguyên đa trị ở thời điểm thực hiện trị đo pha đầu tiên

Δδ là sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu Khoảng cách cần đo và số nguyên đa trị thường không được biết trước

mà cần phải xác định trong mỗi lần đo Trong trường hợp đo pha của sóng tải L1, có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ centimet Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn ít nhiều, nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng đáng

kể của tầng điện ly, ngoài ra nó cũng làm cho việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS

1.4.1 Đo GPS tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay

ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống WGS-84 Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H)

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đó là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian

từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế

cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa đó là khoảng cách từ một vệ tinh thứ 4 Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ gồm 4 phương trình dạng:

(1.3)

Tại một trạm máy, công tác quan trắc được tiến hành đồng thời nên thành phần Δt chỉ còn là ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu Do đó, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác định được 4 ẩn số (X, Y, Z) là các thành phần tọa độ của máy thu (điểm xét) theo tọa độ WGS-

84 và sai số đồng hồ máy thu Δt

Vậy là, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu

ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu Ngoài ra còn xác định được thêm số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định tọa

độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát Tuy nhiên, nếu máy thu được trang bị đồng hồ với độ chính xác cao thì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần tọa độ điểm quan sát Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3

vệ tinh

1.4.2 Đo GPS tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (ΔX,

ΔY, ΔZ) hay hiệu tọa độ mặt cầu (ΔB, ΔL, ΔH) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo pha là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, 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 khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị,…

Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh k tới hai máy thu i1 và i2 Kí hiệu hiệu bậc 1 là SD (Single Difference) ta có:

Trong sai phân này hầu như không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trên máy thu

Hiệu bậc 3 của các trị đo là hiệu của các trị đo giữa hai máy thu tới hai

vệ tinh trong hai thời điểm liên tiếp nhau hay là hiệu của hai hiệu trị đo bậc 2

(1.6)

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh (số vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ có rất nhiều trị đo Lời giải đơn trị sẽ được xử lý theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Dựa vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia

phương pháp đo GPS tương đối thành các dạng:

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta

có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm có độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Trong đo tĩnh, cần lưu ý đến công tác bố trí các ca đo Khoảng thời gian quan trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo Khoảng quan trắc đầu tiên trong ngày được ký hiệu là DDD0 và tiếp theo là DDD1 Số hiệu ngày DDD được ký hiệu từ 001 đến 365 ngày (ngày Julian), và như vậy ca đo 1052 chỉ ca

đo thứ 3 trong ngày thứ 105

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:

o Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

o Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu được

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với cạnh đo có chiều dài ngắn hơn Bảng dưới đây kiến nghị khoảng thời gian

đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình thường

Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định được số nguyên đa trị Đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1 km), số nguyên đa trị có thể được giải ra trong thời gian 5- 10 phút Khi sử dụng pha của tần số L1 Bằng máy thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng ở khoảng cách đo là 15 km

có thể nhận được kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Bảng 1.2: Thời gian đo kiến nghị

Chiều dài cạnh (km)

Độ dài ca đo (phút)

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định

vị tương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet Nhược điểm của phương pháp là thời gian đo kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo thường không cao

b) Đo tĩnh nhanh

Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo

ngắn hơn Gọi là đo nhanh- tăng tốc độ đo là do giải nhanh được số nguyên đa trị Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha số tải và trị đo code Phương pháp

đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số có hiệu quả trên cạnh ngắn Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8 đến 30 phút phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh Số vệ tinh hơn 4 đảm bảo trị đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ tìm nhanh số nguyên đa trị và giảm thời gian định vị

c) Đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong một vài phút Theo phương pháp này, cần có ít nhất hai máy thu Để xác định

số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên hai điểm đã biết tọa độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp trong

cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu thời điểm đo không phải là một tiếng đồng hồ như trong đo tĩnh nữa mà chỉ là một vài phút trong phương pháp này

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này gọi là máy cố định Việc làm này gọi là khởi đo, còn máy thứ hai gọi là máy di động Tiếp

đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại và thu tín hiệu trong một phút, cuối cùng quay trở lại điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy

di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ 4 vệ tinh chung trong suốt chu

kỳ đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hành

khởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập

dự phòng trên tuyến đo

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị không thua kém

so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và

tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh

Tùy thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo- xử lý ngay tại thực địa hay về nhà sau khi đo người ta chia là 2 dạng sau:

o Đo động xử lý tức thời:

Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý

dữ liệu gọn nhẹ Số nguyên đa trị được xác định nhanh nhờ giải pháp khởi đo

và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu 4 vệ tinh trong khi

di chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo các điểm này rất ít, chỉ cần một trị đo Nếu việc theo dõi vệ tinh bị gián đoạn thì số nguyên đa trị

sẽ mất và phải xác định lại Do phải dùng Radio Link tryền số liệu nên tầm hoạt động của máy cũng bị hạn chế khoảng dưới 5 kilomet Ngoài việc đo tọa

độ điểm khống chế, chi tiết thực địa phương pháp này còn có tính năng cắm điểm có tọa độ thiết kế trước ra ngoài thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao

Đây là phương pháp đo sử dụng máy đo giống như phương pháp GPS đo động xử lý tức thời để đo một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách di chuyển máy thu đến các điểm cần xác định tọa độ Tọa độ của các điểm cần

đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiến hành việc khởi động đo xác định số nguyên đa trị bằng cách đo tĩnh trên một

đoạn thẳng sau đó mới đến đo các điểm cần xác định tọa độ với thời gian ngắn, tối thiểu đo hai trị đo Trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo máy

đo di động cần phải thu tín hiệu liên tục tối thiểu từ 4 vệ tinh

Nếu trong quá trình di chuyển đến các điểm cần đo tín hiệu của 1 trong 4

vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất,

do đó phải khởi đo lại bằng cách máy thu quay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới Tầm hoạt động của máy di động có thể đạt tới 50 km Với kỹ thuật này máy thu di động có năng suất lao động cao hơn nhiều, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo chi tiết bản đồ địa hình

1.5 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS

Trong định vị vệ tinh, các nguồn sai số được chia thành 3 nhóm: sai số

do vệ tinh, sai số do sự lan truyền tín hiệu và sai số liên quan đến máy thu Ngoài 3 nhóm nguồn sai số này còn có các sai số do người đo ảnh hưởng đến kết quả đo GPS 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 GPS Sau đây sẽ đi chi tiết về các nguồn sai số đó

Bảng 1.3: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh Sai số quỹ đạo vệ tinh Nhiễu cố ý SA

truyền tín hiệu

Sai số do tầng điện ly Sai số do tầng đối lưu Sai số do đa đường dẫn

Sai số đồng hồ máy thu Sai số do lệch tâm pha anten Sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu

1.5.1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh

b) Sai số quỹ đạo vệ tinh

Sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra đƣợc hiểu là khi ta tính đƣợc tọa độ của

vệ tinh nhƣng lại không đúng với tọa độ thật của nó (chứa sai số khoảng 2,5m) đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh

Các vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo có độ cao cách mặt đất khoảng 20200 km Ở độ cao nhƣ vậy, vận tốc vệ tinh khoảng 3,8 km/s Quỹ đạo vệ tinh GPS đƣợc mô hình hóa bởi sáu yếu tố quỹ đạo Kepler 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 6 yếu tố quỹ đạo Kepler và liên tục được cập nhật lại sau hai giờ nhờ đoạn điều khiển, nhưng tọa độ vệ tinh Xj(t), Yj(t), Xj(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 vẹn đến kết quả định vị tuyệt đối, nhưng được giảm thiểu trong định vị tương đối

Theo thông báo của IGS, hiện nay Mĩ có thể cung cấp quỹ đạo vệ tinh GPS ở chế độ tức thời với độ chính xác xấp xỉ 10 centimet và sai số đồng hồ

cỡ 5 ns với giãn cách 15 phút Đây chính là cơ sở để định vị tuyệt đối chính xác tức thời với độ chính xác cao

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

bỏ nhờ xử lý 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

Để tính các hệ số phương trình số hiệu chỉnh trong định vị tương đối cần biết tọa độ vệ tinh tại các thời điểm đo Sai số tọa độ vệ tinh ảnh hưởng đến

độ chính xác xác định cạnh theo công thức sau:

Trong đó:

mS là sai số tọa độ vệ tinh (Sai số quỹ đạo vệ tinh)

ρ là khoảng cách từ máy thu (A) đến vệ tinh

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

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

km, ta có sai số tương đối chiều dài cạnh đo xấp xỉ 10-7 Trong trường hợp cần xử lý với độ chính xác cao, người ta phải sử dụng lịch vệ tinh chính xác cho sai số quỹ đạo trong khoảng 5- 10 cm

c) Ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA

Nhiễu cố ý SA được tạo ra nhằm giảm độ chính xác định vị tuyệt đối bằng cách làm sai lệch đồng hồ vệ tinh và tác động vào việc lập lịch vệ tinh Song từ ngày 20/5/2000, Mỹ đã chính thức bỏ chế độ nhiễu cố ý SA do đó độ chính xác định vị GPS tuyệt đối đã được cải thiện đáng kể

µ đặc trưng cho sai số đo khoảng cách giả

PDOP đặc trưng cho ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh

Cần lưu ý rằng công thức trên chưa xét đến ảnh hưởng của sai số tọa độ

vệ tinh đến độ chính xác định vị tuyệt đối

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

a) Ảnh hưởng của tầng điện ly

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng điện ly là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng điện ly có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng điện ly tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng điện ly Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng điện ly đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông

báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng điện ly Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng điện ly, trị đo giải trừ do đó việc định vị

có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài

b) Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần

số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khô được tạo thành mô hình loại trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS

1.5.3 Sai số liên quan tới máy thu

a) Sai số đồng hồ máy thu

Tinh thể thạch anh được sử dụng để chế tạo ra bộ dao động của đồng hồ máy thu GPS Do đó, độ ổn định của đồng hồ máy thu thấp hơn so với đồng

hồ vệ tinh Sai số do đồng hồ máy thu sẽ gây ra sai số trong các trị đo GPS

Để khắc phục ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu đến kết quả định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả, người ta coi sai số đồng hồ máy thu là ẩn số thứ tư

trong bài toán định vị, nhờ đó về cơ bản đã loại bỏ được ảnh hưởng này, tuy nhiên vẫn còn lại một phần ảnh hưởng thể hiện qua sai số của chính ẩn số đó Trong định vị tương đối theo pha sóng tải nhờ sử dụng phương trình sai phân bậc 2 nên về cơ bản cũng đã loại bỏ được ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu

b) Sai số do lệch tâm pha anten

Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện tử Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này Điều này có ý nghĩa quan trọng, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất

là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo

c) Sai số do nhiễu tín hiệu

Máy thu GPS là một thiết bị điện tử gồm có phần cứng và phần mềm, do

đó trong quá trình làm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc không ổn định Như chúng ta đã biết trong môi trường lan truyền tín hiệu luôn có các sóng điện từ như các trạm phát sóng, do sấm chớp,… sẽ tạo ra nhiễu tín hiệu

Tỷ lệ tín hiệu này được tính:

SNR = (1.10) Trong công thức trên S là độ mạnh tín hiệu của các vệ tinh GNSS còn Nh

là các tín hiệu nhiễu

Trong chiến tranh lạnh, đối phương có thể sử dụng các thiết bị tạo ra các tín hiệu giả ở tần số L1, L2 gây nhiễu cho các máy thu GPS trong một phạm

vi nhất định Nếu tín hiệu gây nhiễu có cường độ mạnh làm giảm tỷ số SNR, khi đó có thể gây cản trở sự làm việc bình thường của các máy thu GPS Để khắc phục vấn đề này công ty NovAtel đã chế tạo ra một số máy thu quân sự,

sử dụng công nghệ chống nhiễu GAJT

Phần cứng máy thu gây ra độ trễ thời gian trong máy thu do tín hiệu lan truyền trong đó Ngoài ra sai số do nhiễu của máy thu ảnh hưởng ngẫu nhiên đến các trị đo GPS

Theo tính toán, đối với các máy thu GPS thông thường ảnh hưởng của nhiễu máy thu vào khoảng 1% bước sóng của tín hiệu, theo đó người ta đã thống kê mức độ nhiễu máy thu với các tín hiệu C/A- code, P- code và sóng tải như bảng dưới:

Bảng 1.4: Mức độ ảnh hưởng của nhiễu máy thu đến các tín hiệu GPS