Nghiên cứu các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ lidar

Trong thời điểm phát và nhận tia laser thì góc quét, dữ liệu định hướng, cường độ tín hiệu laser phản xạ và các dữ liệu bổ trợ khác của tia quét được xác định và ghi lại bởi hệ thống INS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

LÊ THANH NGHỊ

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO

TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

LÊ THANH NGHỊ

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM ĐO

TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu

và kết quả được sử dụng, trình bày trong luận văn là trung thực chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào trước đây

Hà Nội, ngày 15 tháng 10 năm 2012

MỤC LỤC

Trang phụ bìa trang Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng biểu

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR 4

1.1 Khái niệm về công nghệ LiDAR 4

1.2 Cơ sở vật lý, cơ sở toán học và bài toán xử lý số liệu LiDAR 8

1.2.1 Cơ sở vật lý 8

1.2.1.1 Tia laser 8

1.2.1.2 Đo dài bằng laser trong công nghệ LiDAR 10

1.2.2 Cơ sở toán học 17

1.2.3 Nguyên lý hoạt động và cơ sở toán lý của hệ thống GPS/INS 20

1.2.3.1 Một số hệ tọa độ dùng trong hệ thống tích hợp GPS/INS 21

1.2.3.2 Hệ thống GPS 23

1.2.3.3 Hệ thống INS 28

1.2.3.4 Tích hợp hệ thống GPS/INS 33

Chương 2 - QUÁ TRÌNH BAY QUÉT VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU LIDAR 37

2.1 Các công đoạn của quá trình quét LiDAR 37

2.2 Nội dung công việc 39

2.2.1 Công tác chuẩn bị và lập thiết kế kỹ thuật 39

2.2.2 Đo nối khống chế ngoại nghiệp 39

2.2.3 Bay quét LiDAR 40

2.2.4 Tính toán, bình sai và hiệu chỉnh toạ độ các điểm phản hồi xung 42

2.2.5 Lọc điểm, phân loại và xây dựng DEM 43

2.2.5.1 Phân loại tự động 43

2.2.5.2 Phân loại thủ công 43

2.2.5.3 Chỉnh sửa kết quả phân loại 43

2.2.5.4 Chuyển đôỉ định dạng và xây dựng DEM theo mô hình TIN hay

GRID 44

2.3 Công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số 44

Chương 3 - CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC ĐIỂM TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR 49

3.1 Các ứng dụng của công nghệ LiDAR 49

3.1.1 Thành lập mô hình số độ cao bề mặt địa hình bằng công nghệ LiDAR 49

3.1.2 Ứng dụng công nghệ LiDAR trong đo vẽ bản đồ biển vùng nước nông 50

3.1.2.1 Nguyên lý đo sâu Laser từ máy bay 50

3.1.2.2 Ưu, nhược điểm của công nghệ 51

3.1.2.3 Một số các thiết bị đo sâu 52

3.2 Quy trình lọc điểm trong công nghệ LiDAR 53

3.2.1 Khái niệm về quy trình lọc điểm trong công nghệ LiDAR 53

3.2.2 Một số mô hình toán học lọc điểm trong công nghệ LiDAR 54

3.2.2.1 Mô hình toán lọc điểm theo “độ chênh cao cực đại” 54

3.2.2.2 Mô hình toán học lọc điểm theo “độ võng cục bộ” 56

3.2.2.3 Mô hình toán học lọc điểm theo “cực tiểu tuyệt đối” 57

Chương 4 - THỰC NGHIỆM LỌC ĐIỂM ĐO TRONG CÔNG NGHỆ LIDAR 59

4.1 Mô tả về kết quả đo của công nghệ LiDAR 59

4.2 Thực nghiệm lọc điểm 65

4.2.1 Mô hình toán học sử dụng cho thực nghiệm 65

4.2.2 Khu vực thực nghiệm 67

4.2.3 Chương trình lọc điểm 68

4.2.4 Kết quả thực nghiệm lọc điểm 70

4.2.5 Đánh giá sau quá trình lọc điểm 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình hoạt động của hệ thống LiDAR 4

Hình 1.2 Quá trình phát xạ kích thích 9

Hình 1.3 Nguyên tắc đo khoảng cách bằng laser 11

Hình 1.4 Đo dài bằng sóng laser liên tục 12

Hình 1.5 Đo dài bằng xung laser 13

Hình 1.6 Đồ thị Gaussion của xung 14

Hình 1.7 Chùm tín hiệu phản hồi từ cây 15

Hình 1.8 Số hóa dạng sóng sự phản hồi của xung 17

Hình 1.9 Sơ đồ vecto hình học trong công nghệ LiDAR 18

Hình 1.10 Hệ tọa độ ECI, ECEF và b-frame 21

Hình 1.11 Hệ tọa độ ECI, ECEF và n-frame 22

Hình 1.12 Đo khoảng cách giả Ri từ các vệ tinh tới máy thu 24

Hình 1.13 Mô hình đo góc nghiêng bằng máy đo gia tốc 29

Hình 1.14 Các góc quay tương ứng với các trục X, Y, Z trong b-frame của IMU gắn với thân vật mang (máy bay) 32

Hình 1.15 Sơ đồ cấu trúc tích hợp hệ thống GPS/INS 34

Hình 1.16 Sơ đồ xử lý tích hợp lọc Kalman (LKF, EKF) trong GPS/INS 36

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan quy trình quét LiDAR 38

Hình 2.2 Công nghệ tích hợp LiDAR và máy ảnh số 44

Hình 3.1 Nguyên lý lọc điểm theo mô hình “độ chênh cao cực đại” 54

Hình 3.2 Nguyên lý lọc điểm theo mô hình “cực tiểu tuyệt đối” 58

Hình 4.1 Tách các lớp dữ liệu theo thứ tự phản hồi của xung laser 59

Hình 4.2 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua lùm cây 60

Hình 4.3 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua cây độc lập 61

Hình 4.4 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua quà 61

Hình 4.5 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua đường dây điện 62

Hình 4.6 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua ô tô 63

Hình 4.7 Điểm đo LiDAR khi xung laser quét qua rừng 64

Hình 4.8 Mô hình TIN dựng được khi xung laser quét qua rừng 65

Hình 4.9 Nguyên lý lọc điểm theo mô hình “cực tiểu tuyệt đối” 66

Hình 4.10 Nguyên lý lọc điểm trong 1 ô vuông theo mô hình “cực tiểu tuyệt đối” 66

Hình 4.11 Hình ảnh toàn bộ khu vực thực nghiệm 67

Hình 4.12 Mật độ điểm dày đặc khi quét LiDAR qua khu vực 67

Hình 4.13 File số liệu đã qua xử lý và đổi định dạng 68

Hình 4.14 Chương trình lọc điểm đo 69

Hình 4.15 Chọn độ rộng mắt lưới ô vuông lọc điểm 69

Hình 4.16 File số liệu thu được sau khi lọc điểm 70

Hình 4.17a Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 5m 71

Hình 4.17b Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 10m 72

Hình 4.17b Mật độ điểm thu được khi độ rộng mắt lưới là 10m 73

Hình 4.18 Mô hình TIN thành lập từ file số liệu gốc chưa lọc điểm 74

Hình 4.19a Mô hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ô vuông 5m 75

Hình 4.19b Mô hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ô vuông 10m 76

Hình 4.19c Mô hình TIN thành lập sau khi lọc điểm với ô vuông 20m 77

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu kĩ thuật của một số thiết bị đo sâu 52 Bảng 3.2 Kết quả lọc theo 3 tiêu chuẩn kết hợp với các trường hợp 56

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ LiDAR là một công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống các công nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới Trong lĩnh vực quản

lí tài nguyên và môi trường, đặc biệt trong lĩnh vực trắc địa và bản đồ, công nghệ LiDAR (Light Detection And Ranging) đã được nghiên cứu phát triển

và đang được ứng dụng rất có hiệu quả Công nghệ LiDAR thực hiện chức năng đo đạc, hiển thị độ cao chi tiết nền địa hình và tạo ảnh nắn cường độ xám, một cách chính xác, nhanh và có mật độ điểm dày đặc nhất trong các công nghệ trắc địa bản đồ hiện nay

Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ LiDAR mới đang được biết đến trong thời gian rất ngắn, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ LiDAR trong điều kiện Việt Nam còn rất hạn chế Các phần mềm xử lý số liệu bay quét LiDAR cũng chỉ có các phần mềm thương mại với giá cả đắt đỏ, việc nghiên cứu áp dụng các sản phẩm của công nghệ LiDAR cho các chuyên ngành lại càng ít hơn

Xuất phát từ thực tiễn trên, luận văn “Nghiên cứu các phương pháp lọc

điểm đo trong công nghệ LiDAR” mong muốn sẽ tìm hiểu chi tiết hơn về

công nghệ LiDAR cũng như các phương pháp lọc điểm đo đang được ứng dụng, phục vụ công tác nghiên cứu cũng như phát triển công nghệ LiDAR trong thời gian tới

2 Mục tiêu nghiên cứu

Góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ mới ở Việt Nam, quảng bá rộng rãi kiến thức về công nghệ LiDAR, bổ sung tài liệu tham khảo cho các học giả tiếp cận và áp dụng công nghệ LiDAR và sản xuất thực tế trong điều kiện Việt Nam, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng các sản phẩm của công nghệ LiDAR cho các ngành kinh tế, kỹ thuật khác

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các vấn đề liên quan đến lý thuyết về công nghệ LiDAR, các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ LiDAR, các thuật toán lập trình xây dựng phần mềm lọc điểm đo

4 Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu về công nghệ LiDAR và các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ LiDAR

Viết chương trình phần mềm thử nghiệm lọc điểm đo

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê, phân tích: Thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu liên quan Phân tích, đánh giá các thông tin thu được để kết luận chính xác làm cơ sở giải quyết các vấn đề đặt ra

Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thực nghiệm làm minh chứng cho các kết luận đã đưa ra

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Hiện nay, công nghệ LiDAR mới được ứng dụng và triển khai nên còn nhiều hạn chế trong công tác tìm hiểu và phát triển Vì thế luận văn sẽ tìm hiểu chi tiết về công nghệ LiDAR, giải đáp các thông tin cũng như sự vượt trội của công nghệ LiDAR so với các công nghệ khác

Trình bày chi tiết hơn về các phương pháp lọc điểm đo trong công nghệ LiDAR mà thế giới đang phát triển và áp dụng, làm thông tin khoa học cho việc nghiên cứu trong nước

7 Cấu trúc của luận văn

Luân văn được trình bày bao gồm: phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận với 43 hình minh họa và 2 bảng biểu

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, tác giả đã được PGS.TS

Trần Đình Trí tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ Tác giả cũng nhận được

sự quan tâm giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp trong Bộ môn Đo ảnh - Viễn thám cùng các bạn đồng nghiệp khác Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sự giúp đỡ quý báu đó

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LIDAR

1.1 Khái niệm về công nghệ LiDAR

Công nghệ LiDAR là công nghệ tiên tiến hàng đầu trong hệ thống các công nghệ thu thập dữ liệu không gian trên thế giới Công nghệ LiDAR là sự phát triển

và ứng dụng các thiết bị laser, định vị vệ tinh và đo quán tính để thu thập dữ liệu địa

lý trên bề mặt trái đất Tổ hợp các thiết bị này trong mối quan hệ hữu cơ, tác động chi phối lẫn nhau, tạo nên hệ thống LiDAR

Hình 1.1 Mô hình hoạt động của hệ thống LiDAR

Hệ thống LiDAR là một hệ thống tích hợp từ 3 thành phần chính: hệ thống thiết bị Laser (Light amplification by stimulated emission of radio), hệ thống GPS (Global Positioning System) và hệ thống INS (Inertial Navigation System) Hệ thống thiết bị laser được thiết kế phát các chum tia laser, thu

nhận các tia laser phản xạ và thu nhận dữ liệu cường độ tín hiệu laser phản xạ

từ các đối tượng khác nhau trên bề mặt đất Hệ thống định vị toàn cầu GPS có nhiệm vụ xác định chính xác vị trí (X,Y,Z) của thiết bị quét laser đặt trên máy bay Hệ thống điều khiển hàng hướng quán tính INS sẽ đo gia tốc theo các hướng XYZ, đo các góc nghiêng của máy bay để xác định các góc định hướng của tia quét Các hệ thống được kết nối qua bộ điều khiển trung tâm (CPU) và được điều khiển một cách đồng bộ, chính xác bởi một máy tính đã cài phần mềm tương thích

Nguyên lý hoạt động của hệ thống LiDAR là nguyên lý của phép đo dài ánh sáng, định vị không gian và nguyên lý phát hiện tín hiệu

Bản chất của của công nghệ LiDAR là kĩ thuật đo dài laser, đinh vị không gian GPS/INS và sự nhận biết cường độ phản xạ ánh sáng Xung của laser được phát hướng xuống mặt đất trên một độ cao nào đó Sóng laser được phản hồi từ mặt đất hay từ các bề mặt đối tượng đo như cây, đường, nhà …, với mỗi xung sẽ đo được thời gian đi và trở lại của tín hiệu và từ đó tính được khoảng cách từ nguồn phát laser tới đối tượng Trong thời điểm phát và nhận tia laser thì góc quét, dữ liệu định hướng, cường độ tín hiệu laser phản xạ và các dữ liệu bổ trợ khác của tia quét được xác định và ghi lại bởi hệ thống INS

Hệ thống GPS sẽ xác định tọa độ tâm antena của GPS trên máy bay Sau đó phần mềm xử lý sẽ kết hợp các các dữ liệu thu được (GPS, INS, laser) với các thông tin về điều kiện khí quyển, hiệu chỉnh sai lệch phần cứng và các thông

số thích ứng khác để tạo ra hàng loạt điểm có tọa độ (X,Y,Z) Tập hợp các điểm này tạo nên một đám mây điểm với mật độ dày đặc biểu thị chi tiết bề mặt địa hình trái đất (DEM) Với mỗi điểm tọa độ sẽ được gắn các thuộc tính thể hiện cường độ tín hiệu trở lại của tia laser Từ dữ liệu này phần mềm sẽ phân tích, xử lý, tạo ra trực ảnh cường độ xám, ảnh nổi phục vụ xử lý dữ liệu LiDAR và các ứng dụng trắc địa bản đồ

Từng tia laser riêng biệt không chỉ đi và về từ bề mặt trái đất một cách trọn vẹn và duy nhất mà có thể phản xạ thành một hay nhiều mức truyền Hệ thống LiDAR có thể ghi nhận tới trên 4 mức truyền các tín hiệu phản xạ của từng tia laser Mỗi mức phản xạ thường là của 1 tầng đối tượng mà tia laser đi qua Mỗi mức phản xạ lại có một cường độ tín hiệu phản xạ khác nhau Từ những thông tin của các mức phản xạ và cường độ tín hiệu tia laser phản xạ

mà phần mềm sẽ xử lý và tạo ra được hình ảnh tương ứng với các tầng đối tượng trên mặt đất Đây là một tính năng đặc biệt của công nghệ LiDAR Công nghệ LiDAR là một công nghệ mới đã được nghiên cứu, phát triển

và đang được ứng dụng rất có hiệu quả trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, quản lý tài nguyên môi trường trên thế giới Công nghệ LiDAR thực hiện quét laser từ máy bay để xác định chi tiết và chính xác đối tượng địa lý trên bề mặt trái đất Sản phẩm chính của công nghệ LiDAR là mô hình số bề mặt (DSM), mô hình

số độ cao (DEM), ảnh cường độ xám…

Dữ liệu của LiDAR thu nhận được là tập hợp các điểm với mật độ dày đặc, phân bố ngẫu nhiên và chứa đựng nhiều thông tin định tính và định lượng của các đối tượng địa lý Tuy nhiên các thông tin hình ảnh đặc trưng của địa hình, địa vật hay các đường viền của các đối tượng địa lý không thể hiện được

rõ ràng và sắc nét trong dữ liệu LiDAR

Công nghệ LiDAR có nhiều tính năng vượt trội so với các công nghệ đo đạc truyền thống, nó có những đặc điểm cơ bản như:

+ Hệ thống LiDAR bao gồm các thiết bị kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay trong lĩnh vực định vị không gian, đó là thiết bị định vị vệ tinh GPS, đo xa laser, điều khiển hàng hướng INS… Hoạt động của hệ thống và sản phẩm tạo

ra gắn liền với công nghệ tin học, các dữ liệu được quản lý và lưu trữ đều ở dạng số Công tác khai thác, ứng dụng các sản phẩm của LiDAR rất thuận lợi cho mục đích thành lập bản đồ số, hiện chỉnh bản đồ, thành lập cơ sở dữ liệu

thông tin địa lý (GIS), quản lý đô thị, dựng mô hình 3D, dự báo ngập lụt, quản lý rừng, khai thác mỏ…

+ Độ chính xác xác định vị trí không gian của các đối tượng địa lý rất cao Độ chính xác độ cao < 20cm, độ chính xác mặt phẳng < 25cm

+ Thời gian thu thập và xử lý dữ liệu cực nhanh Thời gian bay quét LiDAR với khoảng 1000km2 là khoảng 25-30 giờ, thời gian xử lý tọa DEM với 1000km2 là khoảng 10 ngày

+ Không giống như các phương pháp đo ảnh hay đo đạc ngoài trời khác, công nghệ LiDAR chủ yếu là tự động hóa, ít có sự can thiệp trực tiếp của con người Thành quả dữ liệu rất khách quan, mức độ tin cậy cao

+ Hệ thống LiDAR thu thập dữ liệu không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời, có thể thực hiện cả ngày và đêm, điều kiện thời tiết không đòi hỏi khắt khe

+ Xung ánh sáng của hệ thống LiDAR có thể đi qua đối tượng vòm như tán cây, mặt nước, mái che kính, tấm ni lông mỏng… và phản xạ tới 4 lần Mỗi lần phản xạ là một mức truyền khác nhau và ghi nhận một giá trị tọa độ (XYZ) khác nhau Đây là một tính năng đặc biệt mà công nghệ đo vẽ ảnh khác không thể thực hiện được Với tính năng này việc thực hiện bay quét ở vùng rừng cây hoặc nơi có thực phủ không quá dày đặc vẫn có thể thi công và thể hiện được bề mặt đất (DTM)

+ Điểm phân giải điểm đo chi tiết cao, khi đầu phát đạt 150.000 xung trên 1 giây, độ cao bay 1000m thì mật độ khoảng 3 điểm trên 1m2

Hiện nay

có nhiều hệ thống LiDAR có đầu phát đạt 240.000 xung trên 1 giây Công nghệ LiDAR với khả năng đo điểm trực tiếp ngoại nghiệp mật độ rất cao, độ chính xác lớn, tốc độ nhanh là ưu điểm vượt trội mà hiện nay không có công nghệ nào khác so sánh được

+ Điểm khống chế mặt đất rất ít, có thể chỉ 1 điểm cho mục đích cải chính DGPS Công nghệ LiDAR đặc biệt lợi ích là công cụ lý tưởng khi nó được áp dụng cho các vùng xa xăm, hẻo lánh khi mà con người rất khó tiếp cận trong triển khai đo đạc ngoại nghiệp

+ Công nghệ LiDAR ghi nhận được các giá trị mức phản xạ ánh sáng của các đối tượng trên mặt đất, dữ liệu này có thể được dùng để tạo ra ảnh cường độ xám, phân loại đối tượng, chiết xuất đối tượng trên mặt đất Đây là một đặc tính có giá trị gia tăng của dữ liệu LiDAR

+ Một số hệ thống LiDAR ngoài chức năng đo quét trên mặt đất, còn có thể thực hiện chức năng đo sâu (hiện nay có thể đo sâu đến 40m)

+ Tổ chức thi công đơn giản, gọn nhẹ hơn các phương pháp khác, số người cần tham gia rất ít (khoảng 10-15 người)

+ Hiệu quả kinh tế rất cao khi ứng dụng công nghệ LiDAR cho mục đích thu thập dữ liệu không gian với yêu cầu thời gian ngắn, độ chính xác cao và mật độ dày đặc

1.2 Cơ sở vật lý, cơ sở toán học và bài toán xử lý số liệu LiDAR

1.2.1 Cơ sở vật lý

1.2.1.1 Tia laser

Hệ thống LiDAR ứng dụng nguyên lý đo dài bằng ánh sáng laser Laser

là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Ánh sáng laser phát ra dựa trên nguyên lý bức xạ điện từ và có nhiều tính chất đặc biệt so với ánh sáng thường Một chất thích hợp khi nhận được kích thích đặc biệt từ bên ngoài sẽ tạo ra ánh sáng laser Các electron tồn tại ở mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Electron ở bên ngoài có mức năng lượng cao hơn những electron ở bên trong Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này có thể nhảy từ mức năng lượng

thấp lên mức năng lượng cao hơn, sau đó lại nhanh chóng trở về mức năng lượng thấp và giải phóng một photon ánh sáng Phonton này bay ra, chuyển động trong lòng khối vật chất, lại va chạm với các nguyên tử khác, kích thích electron của nguyên tử này lên trạng thái cao hơn, sau khi nhảy xuống mức năng lượng thấp thì lại giải phóng ra 1 photon khác Cứ như vậy tạo ra một phản ứng dây chuyền, càng lúc càng giải phóng ra nhiều photon hơn Tại đầu của khối vật chất này, gắn 1 gương bán mạ, dòng photon gặp gương này sẽ đi

ra ngoài tạo thành tia laser Các photon của tia laser, do cùng tần số, cùng pha lại chuyển động song song và tập trung trong một diện tích rất nhỏ nên các tia laser có năng lượng rất lớn Đặc điểm quan trọng của tia laser là các photon của nó được sinh ra từ phản ứng đây chuyền nên năng lượng của các photon giống nhau tuyệt đối, dẫn đến bước sóng tia laser là đồng nhất tuyệt đối

Từ một photon có năng lượng hv (h là hằng số Planch, v là tần số phóng xạ) kích thích electron lên trạng thái cao E2, khi xuống trạng thái thấp E1 (hv= E2-E1) sẽ giải phóng thêm 1 photon

Hình 1.2 Quá trình phát xạ kích thích Một thiết bị phát laser bao gồm 3 thành phần chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser (vùng bị kích thích), nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) và hệ thống dẫn quang Hoạt chất laser là khối vật chất thích hợp, dùng làm môi trường để tạo tia laser và có thể là chất rắn, lỏng hay khí Ánh sáng có laser có cường độ mạnh là laser được tạo từ chất rắn Cơ chế hoạt động của máy phát laser là khi nguồn nuôi bơm năng lượng vào buồng cộng hưởng, tác động lên hoạt chất laser, các photon được tạo ra đầu tiên

chuyển động trong hoạt chất này và kích thích tạo ra các photon khác Trong buồng phản xạ có các mặt phản xạ sẽ phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, các photon bị phản xạ lại va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần, tạo ra mật độ photon rất lớn, do vậy cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Một dòng photon thoát ra ngoài được nhờ có gương bán mạ tại một đầu của buồng cộng hưởng, tia sáng đi ra đó chính là tia laser

Tia laser có một số tính chất rất đặc biệt Tia laser có độ định hướng rất cao, tia laser phát ra gần như một chùm song song, có độ phân kì rất nhỏ, có khả năng chiếu sáng hàng chục km mà không bị phân tán Tia laser có tính đơn sắc cao, chùm sáng chỉ có một màu (hay là cùng một bước sóng) duy nhất, do vậy không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết xuất khác nhau, đó là tính chất đặc biệt mà không nguồn ánh sáng nào

có Khả năng phát xung của laser là cực ngắn, có thể thể là mili giây (ms), nano giây, pico giây cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Trong chế độ phát liên tục, công suất của một tia laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ electron cần thiết cho hoạt động của laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn Trong chế độ phát xung, công suất của tia laser thay đổi theo thời gian và đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và

“ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian rất ngắn

1.2.1.2 Đo dài bằng laser trong công nghệ LiDAR

Nguyên lý đo khoảng cách trong công nghệ LiDAR là phép đo dài laser Tia laser (có thể là sóng liên tục hoặc xung) được phát ra từ đầu buồng cộng hưởng đến đối tượng đo và được phản chiếu trở lại Thời gian đi và về của

laser sẽ được xác định (TL) Từ thời gian (TL) và vận tốc c của laser (c = 299.792.458 m/s) sẽ xác định được khoảng cách R theo (1.1):

Hình 1.3 Nguyên tắc đo khoảng cách bằng laser

a Khi đo laser bằng sóng liên tục:

Khoảng cách được xác định theo phép đo pha, thời gian TL sẽ được xác định theo (1.2):

T nT

T L



 2

Công thức (1.5) là rất quan trọng trong áp dụng công nghệ LiDAR, nó cho phép ước tính để chọn tần số phù hợp với độ cao bay quét, (khi R = 1000m) thì chọn tần số phát xung fmax = 150 kHz)

Hình 1.4 Đo dài bằng sóng laser liên tục

Khi:

f

c c

T R

đề hạn chế khi sử dụng sóng liên tục vì laser trong hệ thống LiDAR luôn có cường độ mạnh với bước sóng phù hợp

b Khi đo bằng xung laser:

Thời gian TL được xác định là thời gian truyền xung giữa đầu phát laser

và nơi nhận xung phản xạ và khoảng cách được xác định theo công thức (1.1)

Từ (1.1) tính được độ phân giải đo khoảng cách theo (1.8) và Rmax theo (1.9):

L T

2T L

c

Hình 1.5 Đo dài bằng xung laser Như vậy, độ phân giải đo khoảng cách chỉ phụ thuộc độ phân giải đo thời gian và được giới hạn bởi độ chính xác của đồng hộ trên thiết bị của hệ thống LiDAR Khoảng cách tối đa có thể đo bằng xung laser phụ thuộc vào thời gian tối đa có thể đo được khi xung laser đi và về Điều này có nghĩa là khoảng cách tối đa có thể đo được bằng xung laser trong LiDAR phụ thuộc vào khả năng dài (thời gian) tối đa xung laser phát đi và về được thiết bị nhận, tức là phụ thuộc vào cường độ xung laser, điều kiện môi trường truyền xung,

sự phản xạ ánh sáng của đối tượng đo…

c Công suất LiDAR:

Năng lượng của hạt photon có bước sóng λ được xác định theo (1.10):



hc hf

E

Theo (1.10) và (1.11), các sóng có bước sóng càng ngắn, tần số càng cao thì động lượng và do đó năng lượng sẽ càng cao Như vậy, năng lượng của

chùm ánh sáng tỷ lệ nghịch với bước sóng và tỷ lệ thuận với tần số và số photon phát ra trong một đơn vị thời gian

Trong hệ thống LiDAR, xung laser thường được tạo bằng bơm diot, xung laser điển hình có thể được biểu thị ở dạng đồ thị Gaussion với sự mô tả khuếch đại theo hai hướng dọc và ngang, trise là thời gian đưa một xung từ độ khuếch đại 10% lên 90%, tp là thời gian đưa xung từ độ khuếch đại 50% (mép đầu) lên 100% và xuống 50% (mép cuối) của xung

Hình 1.6 Đồ thị Gaussion của xung Như vậy, động lượng Ppeak của một xung trong khoảng rộng tp sẽ có năng lượng là: E = Ppeak.tp Nếu F là tổng số xung được tạo ra trong một giây (pulse firing rate – PFR) thì tổng năng lượng Pav (hay được gọi là công suất phát laser của hệ thống LiDar) được truyền đi trong một giây sẽ được tính theo (1.12):

Công thức (1.12) phản ánh đặc tính kỹ thuật rất quan trọng của các hệ thống LiDAR PFR có liên quan nghịch đảo với Ppeak, tức là khi tăng số lượng xung (F) thì Ppeak sẽ giảm, đồng nghĩa với việc khi tăng F thì khả năng đo xa sẽ bị giảm Các hệ thống LiDAR muốn tăng khả năng đo xa thì cần dùng nguồn năng lượng có Ppeak cao hơn Trong một hệ thống LiDAR, muốn tăng khả năng đo xa thì phải chọn mức F nhỏ hơn

d Đa tín hiệu phản hồi trong công nghệ LiDAR

Xung laser được phát từ thiết bị bay đến mặt đất thường có đường kính khoảng 10-20 cm Khi gặp đối tượng có diện tích bề mặt nhỏ (ví dụ: lá cây, lưới dây…) hoặc đối tượng cho tia laser đi qua (ví dụ: tấm kính mỏng, mặt nước trong…) thì có khả năng chỉ một phần của xung laser chạm vào đối tượng rồi phản hồi lại từ đây, trong khi đó phần còn lại của xung sẽ tiếp tục truyền cho tới khi chạm vào đối tượng khác và lại phản hồi Như vậy một xung laser được truyền đi có thể có nhiều tín hiệu xung trở về Trong thiết bị nhận xung laser phản hồi có bộ phận tách sóng theo ngưỡng và do vậy đo được thời gian đi và về của phần xung tương ứng Việc lấy mẫu xung laser nhận được có nhiều cách khác nhau, lấy mẫu cho tín hiệu trở về có ý nghĩa nhất, lấy mẫu cho tín hiệu trở về đầu tiên và cuối cùng, lấy mẫu cho tất cả tín hiệu trở về theo ngưỡng ở các tầng khác nhau của sóng laser phản hồi Mỗi một điểm phản hồi là một khoảng cách được đo và theo đó một tọa độ (XYZ) được xác định

Hình 1.7 Chùm tín hiệu phản hồi từ cây Trên hình 1.7, tín hiệu trở về đầu tiên là tín hiệu có ý nghĩa nhất Trong trường hợp chỉ có một tín hiệu có ý nghĩa trở về thì chỉ có một tọa độ duy nhất được tính Tín hiệu trở về cuối cùng sẽ không phải là mặt đất mà có thể

là nhánh hoặc than cây Đa số các hệ thống LiDAR hiện tại đều có thể thu nhận trên 4 tín hiệu phản hồi của 1 xung

e Kỹ thuật đo laser kiểu số hóa sóng

Khả năng phát xung (PRF) của một hệ thống LiDAR hiện nay có khả năng lên tới 240.000 xung trong một giây, mỗi xung lại có thể có nhiều tín hiệu phản hồi Để hạn chế số lượng tín hiệu phản hồi, tăng mật độ điểm đo, tăng độ chính xác đo khoảng cách, một số hãng sản xuất hệ thống LiDAR áp dụng kỹ thuật số hóa dạng sóng sự phản hồi của xung

Trong kỹ thuật này tín hiệu phản hồi tương tự được lấy mẫu theo khoảng thời gian hằng số và chuyển đổi tín hiệu số thành dòng (chuỗi) dữ liệu số như dạng sóng (đường kẻ đen song song trong hình 1.8) Do không hạn chế số lượng tín hiệu phản hồi của từng xung nên các đối tượng dạng vòm (tán cây, mái che…) được biểu thị chi tiết hơn Từ dữ liệu số hóa tín hiệu phản hồi có thể phân tích ra bề mặt lởm chởm, nghiêng hay bằng phẳng của đối tượng đo Trong kiểu hiện thị sóng, tín hiệu trở về đầu tiên duy nhất (có ý nghĩa) hay tín hiệu đầu tiên và cuối cùng hoặc chùm tín hiệu trở về có thể đạt được độ chính xác cao hơn khi xử lý số liệu Hệ thống LiDAR đã áp dụng kỹ thuật này là LMS-Q560 và ALTM3100

Hình 1.8 mô tả quá trình tạo mẫu và số hóa tín hiệu phản hồi theo ví dụ ở hình 1.7 Xung màu đỏ là xung phát đi, 4 xung liên tiếp theo là sự phản hồi của lá hoặc cành cây và xung cuối cùng là từ mặt đất Tín hiệu phản hồi tương

tự được lấy mẫu theo hằng số thời gian và được chuyển thành dạng dữ liệu số

Dữ liệu số được lưu trữ để xử lý tính khoảng cách đo Phương pháp này có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác, đó là quá trình lấy mẫu và số hóa dạng sóng sẽ tính được thời gian đỉnh của xung phản hồi và do vậy độ chính xác đo khoảng cách được nâng lên Do tín hiệu phản hồi có thể được dựng lại

và phân tích một cách toàn diện, chi tiết nên ngoài khoảng cách thì có thể xác định được kiểu đối tượng và các thông số khác một cách chính xác

Hình 1.8 Số hóa dạng sóng sự phản hồi của xung

1.2.2 Cơ sở toán học

Hệ thống LiDAR dùng tia laser quét lên bề mặt đối tượng và xác định được khoảng cách từ đầu phát laser tới điểm đo Để định vị được từng tia laser để từ đó xác định tọa độ điểm quét, đó là lời giải của bài toán liên kết tọa

độ và tính tọa độ điểm trong công nghệ LiDAR Trong bài toán này, tọa độ tâm máy phát laser được xác định bằng hệ thống DGPS, các góc định hướng tia quét được xác định bằng hệ thống INS, khoảng cách được tính bằng phép

đo dài laser

Hình 1.9 thể hiện mô hình toán học cở sở của hệ thống LiDAR

Hệ tọa độ GXYZ – hệ tọa độ vuông góc không gian, giả định là hệ tọa

độ WGS84 của hệ thống GPS gọi là T1 Hệ tọa độ SXYZ – hệ tọa độ máy quét (SBF), giả định trùng với hệ tọa độ của hệ thống đo quán tính (INS) gọi

là T2

Hình 1.9 Sơ đồ vecto hình học trong công nghệ LiDAR

G: điểm mốc tọa độ, đặt máy GPS mặt đất

A: anten của máy GPS trên máy bay

S: tâm máy quét laser và giả định trừng với tâm INS

P: điểm mặt đất do tia laser chạm và phản xạ lại

Tính chuyển từ hệ T1 sang hệ T2 theo hình 1.9, ta có:

S d

Để xác định vecto g từ điểm G đến điểm P (điểm phản xạ của các tia laser trong hệ tọa độ GXYZ) cần phải xác định vecto d , S (thông qua ma trận xoay INS A và vecto l S,s trong hệ tọa độ SXYZ) theo hình 1.9 ta có:

S

L D

d     và S  A.s (1.14) Trong đó:

D: luôn xác định được trong đo GPS động

s: vecto nối tâm máy quét và điểm P trong hệ tọa độ SXYZ (SBF)

23 22 21

13 12 11

a a a

a a a

a a a

 : góc xoay từ T1 sang T2 theo trục X

ω (0, 2π), ω: góc xoay từ T1 sang T2 theo trục Z

 : góc xoay từ T1 sang T2 theo trục Y

Thay công thức (2.14) vào công thức (2.13):

) (s l S A D

Viết dưới dạng ma trận:

) (

0 0 0

0 0 0

S

a a a

P P

p

l s A Z

Z

Y Y

X X

Z Z

Y Y

X X

X0, Y0, Z0: tọa độ điểm G (điểm tọa độ GPS mặt đất)

Xa, Ya, Za, XP,YP,ZP: tọa độ điểm anten A và tọa độ điểm P cần tìm

Biến đối công thức (1.17) để xác định tọa độ điểm P (XP,YP,ZP):

0 0

0

) (

Z Y

X l s A Z Y X

Z Y

X

S

a a a

P P

1.2.3 Nguyên lý hoạt động và cơ sở toán lý của hệ thống GPS/INS

Công nghệ LiDAR dùng tia laser quét đến bề mặt đối tượng và xác định được khoảng cách (range) Nhưng mục đích của công nghệ LiDAR không chỉ

là đo khoảng cách mà phải xác định được tọa độ của điểm quét với độ chính xác theo yêu cầu Để xác định được tọa độ điểm quét thì hệ thống LiDAR phải định vị được tia quét, tức là xác định được tọa độ tâm máy quét và yếu tối định hướng của tia quét Các hệ thống LiDAR đã ứng dụng hệ thống GPS/INS để thực hiện nhiệm vụ này

Hệ thống GPS/INS hay còn gọi là tổ hợp thiết bị định vị toàn cầu – đạo hàng quán tính, được hoạt động dựa trên nguyên lý giao hội không gian, nguyên lý con quay và máy đo gia tốc để xác định vị trí không gian, quãng đường đi, vân tốc, gia tốc, góc nghiêng và góc định hướng của đối tượng chuyển động Trong thực tế, hệ thống GPS và INS hoạt động độc lập nhau để thực hiện nhiệm vụ đạo hàng của mình, nhưng sẽ được đồng bộ trong quá trình xử lý kết quả ở cùng một thời điểm Kết quả định vị không gian của hệ thống GPS/INS sẽ là:

- Tọa độ trắc địa của thiết bị bay ở thời điểm bất kì

- Vận tốc chuyển động của phương tiện

- Góc nghiêng, xoay của chuyển động theo thời gian

Các dữ liệu này sẽ được xử lý đồng bộ với dữ liệu laser để định vị quét

và tính tọa độ cho từng điểm quét

Hiện nay tổ hợp GPS/INS (POS/AV của Applanix) xác định tọa độ không gian có độ chính xác là 5-20 cm, xác định góc với độ chính xác là 0,005-0,008 rad Độ chính xác của điểm quét (điểm đo trên mặt đất) cỡ khoảng: ∆XY = 10-5.H , H là độ cao bay quét; sai số độ cao ∆h = 5-25 cm

1.2.3.1 Một số hệ tọa độ dùng trong hệ thống tích hợp GPS/INS

Sự đặc thù trong công nghệ LiDAR đòi hỏi phải chuyển đổi thông tin qua lại giữa hệ tọa độ riêng của máy đo và hệ tọa độ của trắc địa Các hệ thống LiDAR ứng dụng GPS/INS đang dùng một số hệ tọa độ phổ biến sau:

Hình 1.10 Hệ tọa độ ECI, ECEF và b-frame

a Hệ tọa độ địa tâm quán tính (ECI)

Hệ tọa độ địa tâm quán tính được định vị theo mặt trời Gốc tọa độ được

cố định tại tâm trái đất Trục Z hướng lên phía cực bắc và song song với trục quay của trái đất Trục X hướng ra ngoài theo mặt phẳng xích đạo vào đúng vị

trí mặt trời ở thời điểm xuân phân (lúc trái đất gần mặt trời nhất, ngày và đêm bằng nhau) Trục Y hướng phía đông theo quy tắc bàn tay phải

b Hệ tọa độ địa tâm trái đất (ECEF)

Hệ tọa độ địa tâm trái đất được định vị theo trái đất và sự quay của nó Gốc tọa độ được cố định tại tâm trái đất Trục Z hướng lên cực bắc và song song với trục quay của trái đất Trục X hướng ra ngoài theo mặt phẳng xích đạo và đi qua kinh tuyết Greenwich Trục Y hướng ra phía đông theo quy tắc bàn tay phải

c Hệ tọa độ vật thể (b-frame)

Hệ tọa độ vật thể được gắn chặt vào thân vật mang (như máy bay) và được định nghĩa bởi khung khung hình học của nó Trục X được quy định là trục dọc của vật mang theo hướng nó di chuyển Trục Z hướng xuống tâm trái đất Trục Y theo quy tắc bàn tay phải

d Hệ tọa độ trắc địa địa phương (l-frame và n-frame)

Hình 1.11 Hệ tọa độ ECI, ECEF và n-frame Trong vận hành thực tế của hệ thống GPS/INS, phải chuyển đổi giữa số liệu đo của INS theo khung tọa độ vật thể b-frame và hệ tọa độ cố định trái

đất (stable Earth fixed coordinate frame) Hệ tọa độ cố định trái đất thường được chọn là hệ tọa độ l-frame (local level frame), đây là hệ tọa độ trắc địa địa phương, trục Z thông thường hướng lên trên theo elipxoid quy chiếu, trục

X theo hướng bắc trắc địa, trục Y theo hướng đông Tuy nhiên, trong hệ thống LiDAR, để phù hợp với bản chất của các số liệu đo trên INS (lực riêng fb

và vận tốc góc theo hệ tọa độ b-frame) và hệ thống dẫn đường, hệ tọa độ trắc địa địa phương đươc chọn là n-frame (navigation frame) Hệ tọa độ n-frame có trục X hướng bắc, trục Y là hướng đông, trục Z hướng xuống dưới và hay được gọi là hệ tọa độ NED (north-earth-down)

1.2.3.2 Hệ thống GPS

Hệ thống GPS bao gồm 3 bộ phận: bộ phân không gian, bộ phận điểu khiển và bộ phận sử dụng Bộ phân không gian bao gồm nhiều (24) vệ tinh quay trên các mặt phẳng quỹ đạo khác nhau gần như tròn xung quanh trái đất Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát sóng tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao (tới 10-12) Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 mHz và các sóng tải có tần số L1: 1575,42 mHz và tần số L2: 1227,60 mHz (NAVSTAR GPS – Mỹ) Người ta dùng 2 tần số tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện

ly Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code khác nhau: C/A-code và code Bộ phận điểu khiển gồm 4 trạm quan sát đặt trên mặt đất và 1 trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất Nhiệm vụ của bộ phận điểu khiển là điều khiển toàn

P-bộ hoạt động và các chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh cũng như hoạt động của đồng hồ nguyên tử trên đó Các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh được thường xuyên chính xác hóa và chúng sẽ được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Bộ phận sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích khác nhau

của người dùng Đó có thể là các máy thu hoạt động độc lập (định vị tuyệt đối) hoặc 1 nhóm máy thu từ 2 chiếc trở lên hoạt động đồng thời theo 1 lịch trình thời gian nhất định (định vị tương đối) hoặc hoạt động theo chế độ 1 máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến điện hiệu chỉnh các số liệu cho các máy thu khác (định vị vi phân) Bộ phận sử dụng còn có thể là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc từng khu vực đang được thiết lập ở khắp nơi trên các nước

Hình 1.12 Đo khoảng cách giả Ri từ các vệ tinh tới máy thu

Công tác định vị của hệ thống định vị toàn cầu GPS về mô hình chung là giải các bài toán giao hội thuận trong không gian Việc định vị được thực hiện trên cơ sở sử dụng 2 đại lượng đo cơ bản, là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-code) và đo pha của sóng tải (L1 và L2) từ các

vệ tinh nhân tạo đến máy thu Từ các khoảng cách đo được và tọa độ của các

vệ tinh được biết trước sẽ tính được tọa độ của antenna máy thu GPS

Đo khoảng cách theo sự đo pha của sóng tải là các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao Với mục đích này người

ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh

và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy thu đo được

ta ký hiệu là θ (0 < θ < 2π) Ta có thể viết:

θ = (2π/λ).(R – Nλ + c∆t) (1.19) Trong đó:

R: khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu

λ: bước sóng của sóng tải

N: số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R N được gọi là số nguyên đa trị hoặc trị nhập nhằng và thường không được biết trước mà cần phải xác định trong quá trình đo

∆t: sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của máy thu và của vệ tinh

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh có độ chính xác rất cao 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 và thêm vào đó làm cho việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn

Đo khoảng cách theo sự đo pha của sóng tải thường được ứng dụng khi

sử dụng 2 máy thu GPS đặt tại 2 điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ mặt cầu (∆B, ∆L,

∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84 Nguyên tắc đo GPS này được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ giữa hai điểm đo, người ra 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

vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa độ của vệ tinh, số nguyên đa trị …

Ta kí hiệu hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là ∆θj(ti) Khi đó nếu xét 2 trạm 1 và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti , ta sẽ có sai phân bậc một được viết như sau:

∆θj

(ti) = θj

2(ti) - θj1(ti) (1.20)

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh

Nếu xét 2 trạm đồng thời quan sát đồng thời 2 vệ tinh j và k vào cùng thời điểm ti , ta có sai phân bậc 2:

∆2θj,k

(ti) = ∆θk

(ti) - ∆θj(ti) (1.21) Trong sai phân này hầy như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như máy thu

Nếu xét 2 trạm đồng thời quan sát đồng thời 2 vệ tinh j và k vào các thời điểm ti và ti+1, ta có sai phân bậc 3:

∆3θj,k= ∆2θj,k

(ti+1) - ∆2θj,k

Sai phân này cho phép loại trừ số nguyên đa trị

Trong thực tế khi thu tín hiệu vệ tinh thì số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới 10 vệ tinh Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh, ta sẽ có rất nhiều trị đo Không những thế trong định vị tương đối, các vệ tinh lại được quan sát trong cả một thời gian tương đối dài,

từ nửa giờ đến vài ba giờ Do vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa 2 điểm quan sát sẽ rất lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất Kết quả thu được là rất chính xác, thường là cm,

có khi đến mm

Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code có thể được mô tả một cách khái quát là: code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy thông qua tín hiệu thu được Bằng cách so sánh code thu được từ vệ tinh và code của chính máy thu có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code và từ đây dễ dàng tính được khoảng cách từ vệ tinh đến anten của máy thu Do sự không đồng bộ giữa đồng hề của vệ tinh và của 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 ra gọi nó là khoảng cách giả

Công thức tính khoảng cách giả theo thời gian lan truyền tín hiệu như sau:

t c z z y y x x t

t c

R (   )  ( S  )2  ( S  )2  ( S  )2   (1.23) Trong đó:

c: tốc độ lan truyền tín hiệu

xS, yS, zS: tọa độ của vệ tinh; x, y, z: tọa độ của anten máy thu

t: thời gian lan truyền của tín hiệu từ vệ tinh đến anten máy thu

∆t: sai số không đồng bộ giữa thời gian trên vệ tinh và máy thu

Khi biết khoảng cách từ máy thu đến 3 vệ tinh thì theo nguyên tắc giao hội không gian ta xác định được tọa độ của máy thu từ tọa độ của vệ tinh Nhưng trên thực tế do đồng hồ của máy thu và đồng hồ của vệ tinh đều có sai

số không đồng bộ vì thế nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác, kết quả là các cạnh giao hội không thể cắt nhau tại 1 điểm nên ko xác định được tọa độ của máy thu Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa đó là khoảng cách từ máy thu đến 1 vệ tinh nữa

Để diễn tả điều này ta có thể viết 4 phương trình thể hiện quan hệ tọa độ của máy thu và khoảng cách từ máy thu đến 4 vệ tinh như sau:

Như vậy 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 và số hiệu chỉnh thời

gian cho đồng hồ máy thu Phương pháp đo này thường áp dụng trong công tác định vị các thiết bị di động

Trong công nghệ LiDAR, để xác định chính xác vị trí anten theo thời gian của GPS trên thiết bị di động, cần dùng ít nhất 1 máy GPS đặt cố định tạo điểm đã biết tọa độ cho việc cải chính sai phân Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code để tính số nguyên đa trị, sau đó sử dụng số nguyên đa trị này để tính khoảng cách thực theo sự đo pha của sóng tải Kết quả xử lý DGPS là dựng lại được quỹ đạo theo thời gian của tâm anten máy di động (SBET file) với độ chính xác nhỏ hơn 15 cm

1.2.3.3 Hệ thống INS

Thiết bị đo quán tính IMU (Inertial Measurement Unit) bao gồm máy gia tốc và con quay hồi chuyển 3 hướng Thiết bị IMU đi với máy tính dẫn đường gọi là hệ thống hàng hướng quán tính INS Hệ thống INS thực hiện xác định gia tốc và các tham số định hướng theo thời gian thực của phương tiện bay Con quay hồi chuyển là hệ thống rất nhạy cảm với mọi thay đổi của các góc định hướng tức là rất nhạy cảm với vận tốc góc Con quay hồi chuyển đo hướng của vật mang, ghi nhận số liệu là vận tốc góc tương ứng với sự thay đổi của vật mang Vận tốc góc b

b-vật lý của b-vật thể, vận tốc góc trái đất 15o/h, số liệu vector quay của trái đất theo con quay ngang và được hiệu chỉnh bằng dữ liệu của con quay đứng Máy đo gia tốc có trục làm việc trùng với trục của máy bay, máy đo gia tốc đo được các góc nghiêng thô

Hình 1.13 Mô hình đo góc nghiêng bằng máy đo gia tốc

Gia tốc kế đo lực riêng (fb) tương tác lên thân vật mang Lực riêng biệt này là sự sai khác giữa gia tốc thực trong không gian và gia tốc do trọng trường (fb) được dùng để dẫn xuất gia tốc

g r

Sự định vị quán tính được dựa vào nguyên lý là sự khác nhau về vị trí, có thể được xác định bằng cách tích phân kép của gia tốc:

r t r t r

0

) ( )

( ) ( )

Trong đó:

r(t0) là điểm đầu tiên của quỹ đạo

a(τ) là gia tốc dọc theo quỹ đạo, thu được từ phép đo của cảm biến quán tính trong 1 hệ tọa độ được quy định bởi r(t)

Phương trình chuyển động của INS:

Định luật thứ 2 của Niutơn mô tả chuyển động của các phần tử hạt gần trái đất được thể hiện dạng vector trong khung quán tính sau:

i i i

g f

Phương trình chuyển động (1.26) có thể chuyển đổi vào trong hệ n-frame

và được thể hiện bằng phương trình vi phân (1.27):

n n n in n ib b

n b n

n b n n

C

g v f

C

v D

C v r

(

).

2 (

) ( ) ( 1

b n b

R R R C

C C

) sin 1

a M



2 3 2 2

) 2

) sin 1

(

1 (



e

e a N

rn = [υ λ h]T

Vector vận tốc trong n-frame được biểu thị như sau:

(1.34) Trong đó: vN , vE và vD là thành phần vận tốc theo hướng bắc, đông và xuống dưới