CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS
3.2 Đo tương đối bằng GPS
Định vị tương đối sử dụng hai máy thu đồng thời cùng quan trắc một số vệ tinh để xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm và do đó tính được toạ độ điểm này so với điểm khác đã biết toạ độ chính xác.
Định vị tương đối cần tối thiểu tín hiệu đồng thời từ ít nhất 4 vệ tinh, tuy nhiên, số lượng vệ tinh càng nhiều, độ chính xác định vị càng được nâng cao hơn.
Định vị tương đối có thể sử dụng trị đo pha sóng tải và giả khoảng cách hay kết hợp cả hai. Độ chính xác định vị tương đối có thể đạt mm khi sử dụng trị đo pha sóng tải hay m khi dùng trị đo mã.
134
Nguyên do là khi đo đồng thời hai hoặc nhiều hơn máy thu, do các trị đo cùng chứa các sai số nhìn chung tương tự nhau (khoảng cách giữa các máy thu càng ngắn thì sự tương đồng càng lớn), nên các sai số được giảm thiểu trong các trị gia số toạ độ.
Trong định vị tương đối, chúng ta sử dụng hai kỹ thuật đo cơ bản là đo GPS tĩnh và đo GPS động, mỗi kỹ thuật áp dụng cho các mục đích đo đạc khác nhau.
135
Hình 3.2 Nguyên lý định vị tương đối
136
3.2.1 Kỹ thuật đo GPS tĩnh (Static)
Đo GPS tĩnh là kỹ thuật định vị tương đối sử dụng đồng thời hai hoặc nhiều hơn máy thu đặt cố định trên các điểm đo và cùng thu tín hiệu từ vệ tinh trong một khoảng thời gian dài.
Các trạm đo đồng thời này tạo nên các ca đo.
Thời gian đo cho mỗi ca gọi là độ dài hoặc thời lượng ca đo.
Ký hiệu n là số máy thu trong ca đo, sẽ nhận được (n-1) cạnh độc lập và .( ) tổng số cạnh trong 1 ca đo.
Thời lượng ca đo phụ thuộc vào khoảng cách giữa các máy thu, số lượng vệ tinh nhìn thấy và đồ
hình vệ tinh. 137
Hình 3.3 Đo GPS tĩnh
138
Khi đo tĩnh, thường cài đặt các thông số máy thu như sau:
- Tần suất ghi tín hiệu 10 hoặc 15 giây, - Góc ngưỡng cao chuẩn 15o,
- Số lượng vệ tinh tối thiểu là 3.
Độ chính xác đối với các máy thu GPS là 5+1ppm.D (mm).
Phương pháp đo này thường áp dụng lập Khung quy chiếu Trái đất quốc tế (IGS), đo đạc chuyển động các mảng kiến tạo, lập hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, đo lưới khống chế các cấp.
139
3.2.2 Kỹ thuật đo GPS tĩnh nhanh (fast static) Đo GPS tĩnh nhanh tương tự như đo tĩnh, chỉ khác biệt ở chỗ, một máy - máy chủ (base) đặt tại điểm gốc hay điểm quy chiếu mà đã biết toạ độ chính xác sẽ cố định trong suốt ca đo, trong khi máy hoặc các máy chạy (rover) khác chỉ dừng lại trên mỗi điểm chưa biết toạ độ trong thời gian ngắn rồi di động sang điểm đo khác (Hình 3.4).
Phương pháp đo này thích hợp cho các đo đạc lập bản đồ cần đo nhiều điểm chi tiết trong cùng một vùng không rộng (cách điểm gốc từ 15 km trở lại) và có điều kiện đo đủ thông thoáng.
140
Hình 3.4 Đo GPS tĩnh nhanh
141
Quá trình đo bắt đầu bằng việc đặt máy chủ trên điểm gốc và đặt máy chạy trên một điểm đo cần xác định toạ độ. Máy chủ sẽ nằm cố định tại điểm gốc và liên tục thu tín hiệu vệ tinh. Máy chạy thu số liệu trên mỗi điểm chừng 5÷20 phút. Sau đó máy chạy được chuyển đặt trên điểm đo tiếp theo và lặp lại bước đo trên. Cứ tiếp tục như vậy, cho tới khi thu tín hiệu xong tại điểm chạy cuối cùng thì kết thúc ca đo.
Độ chính xác đo cạnh bằng đo tĩnh nhanh đạt trung bình 10 + 1ppm.D (mm).
Chú ý:- Khi di chuyển, máy chạy có thể bị tắt.
- Do thời lượng đo ngắn, nên tần suất ghi là 5s
142
3.2.3 Kỹ thuật đo GPS động
Đo GPS động cũng thuộc định vị tương đối bằng pha sóng tải sử dụng hai hay nhiều máy thu.
Trong phương pháp đo này, tương tự như đo tĩnh nhanh, máy chủ được đặt trên điểm gốc, còn máy chạy sẽ được di chuyển và lần lượt đặt trên các điểm đo, ta sẽ xác đinh được toạ độ tức thì của nó.
Yêu cầu cơ bản của phương pháp này là trong suốt ca đo cả máy chủ và máy chạy đều thu nhận được tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh chung. Yêu cầu thứ hai là một vị trí (tốt nhất là điểm khởi đầu) của máy chạy đã biết toạ độ.
143
Phương pháp đo động đạt năng suất đo đạc rất cao mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Tuy nhiên, để bảo đảm các máy đo liên tục thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh giống nhau, điểm đo cách xa điểm gốc không quá 10÷15 km, vùng đo phải có địa hình quang đãng, ít vật che chắn tín hiệu.
Có 2 dạng đo GPS động thường dùng là dừng và đi (Stop and Go) và thời gian thực (RTK).
- Kỹ thuật Dừng và Đi (Hình 3.5)
Tương tự như phương pháp đo tĩnh nhanh.
Khác biệt nằm ở chỗ, tại mỗi lần dừng trên điểm đo, máy chạy chỉ thu tín hiệu trong thời gian rất ngắn chừng 30 giây và tần suất ghi số liệu 1 hoặc 2 giây.
144
Hình 3.5 Đo GPS động Dừng và Đi (Stop and Go)
145
- Đo động thời gian thực (RTK)
Sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu cùng nhận tín hiệu từ 4 vệ tinh chung trở lên, trong đó một máy chủ, còn lại là máy chạy. Phương pháp này thích hợp để đo nhiều điểm trên cùng một vùng hẹp (cách điểm gốc không quá 10÷15km), toạ độ các điểm yêu cầu được xác định theo thời gian thực, vùng đo quang đãng. Do hiệu quả mà trước hết là năng suất đo đạc, phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
146
Nguyên lý đo RTK
Máy chủ sẽ truyền trị đo pha về máy chạy. Máy chạy sẽ thành lập các trị đo pha ở dạng sai phân để xử lý. Vì trị đo pha có độ chính xác mm, nên độ chính xác định vị có thể đạt từ cm đến dm tùy thuộc vào việc tìm đúng tham số đa trị (ambiguity resolution) trong trị đo pha.
Việc giải thành công các tham số đa trị chỉ dựa vào các trị đo pha ở ngay thời điểm đo đã và đang là một thách thức lớn về mặt thiết bị GPS (bao gồm phần cứng và phần mềm). Ngoài ra nó còn phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách giữa máy chủ và máy chạy, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời và tốc độ di chuyển của máy chạy.
147
Hình 3.6 Đo GPS động thời gian thực (RTK)
148
3.2.4 Định vị GPS vi phân (DGPS)
Định vị GPS vi phân là định vị tương đối, sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu, trong đó một máy chủ được trang bị thêm bộ phát sóng radio được đặt trên điểm đã biết toạ độ và cácmáy chạyđược trang bị thêm bộ thu sóng radio.
Bản chất của phương pháp này dựa trên thực tế là các sai số trong trị đo GPS của máy chủ cũng như máy chạy là giống nhau khi khoảng cách giữa chúng nằm trong khoảng vài trăm km.
Có hai phương pháp hiệu chỉnh trong đo DGPS là: vị trí điểm (position method) và khoảng cách giả (measurement methode)
149
Hiệu chỉnh khoảng cách giả
Phần mềm trong máy chủ sử dụng toạ độ điểm gốc và toạ độ vệ tinh từ thông điệp đạo hàng để tính khoảng cách tới từng vệ tinh, tiếp theo tính độ lệch giữa khoảng cách vừa tính với giả khoảng cách tính từ trị đo mã để nhận được trị hiệu chỉnh DGPS mà thực chất là các sai số giả khoảng cách.
Các trị hiệu chỉnh này được phát trên sóng radio tới các máy chạy. Phần mềm trong máy chạy sử dụng các trị hiệu chỉnh này để hiệu chỉnh các trị đo giả khoảng cách rồi tính toạ độ điểm đo. Độ chính xác của phương pháp này đạt cỡ từ dưới mét tới 5m, tuỳ thuộc vào khoảng cách máy chủ-máy chạy.
150
Hiệu chỉnh vị trí điểm
Tại trạm máy chủ, vào thời điểm t sẽ tính được sai lệch tọa độ:
=
=
=
Trong đó: XB, YB, ZBlà tọa độ điểm gốc.
XB(t), YB(t), ZB(t) là tọa độ định vị tuyệt đối bằng máy thu GPS đặt tại trạm base ở thời điểm t.
Các trị hiệu chỉnh này được coi là số hiệu chỉnh vi phân và lập tức được phát đi rộng rãi theo phương thức vô tuyến cho các trạm định vị tuyệt đối khác để hiệu chỉnh vào kết quả đo (coi như cùng thời điểm t)
151
Hiệu chỉnh vị trí điểm
Tại máy chạy tọa độ tuyệt đối ở thời điểm t là Xr(t), Yr(t), Zr(t) khi đó tọa độ sau cải chính vi phân sẽ là:
= +
= +
= +
Ưu điểm:
- Loại bỏ nhiễu SA và vài nguồn sai số khác mang tính hệ thống trong định vị tuyệt đối.
- Xác định được tọa độ trong hệ thực dụng.
152
Hình 3.7 Định vị GPS vi phân
153