›
›

Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Thái Văn Hòa

pdf 57 trang huongle 2460
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Thái Văn Hòa", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_he_thong_dinh_vi_toan_cau_thai_van_hoa.pdf

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Thái Văn Hòa

  1. 24/09/2016 Khoa QLĐĐ&BĐS Bộ môn Công nghệ Địa chính Bài giảng HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GV: Thái Văn Hòa Đt: 0908670778; 0964027940 Email: hoa.cndc@gmail.com thaihoa@hcmuaf.edu.vn Web: Tp. HCM 5/2016 1 Đánh giá kết quả 1. Điểm chuyên cần 10% - Đi học + thực hành đầy đủ 2. Điểm giữa kỳ 30% - Bình sai + biên tập 7 bảng lưới khống chế địa chính đo bằng công nghệ GPS (5 người / nhóm) 3. Thi cuối kỳ 60% - Thi tự luận 60’, không sử dụng tài liệu. - Hoặc đề mở 75’, áp dụng tính toán. 2 Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1 Ý tưởng về GPS 3 1
  2. 24/09/2016 GPS Navigation Nguồn: 4 ĐỊNH VỊ ĐIỂM - Định vị là xác định vị trí của các vật thể tĩnh hoặc chuyển động. Có 2 Phương pháp: + Theo một hệ tọa độ không gian ba chiều đã được định nghĩa. + Theo vị trí của một điểm khác, được thừa nhận là điểm gốc của một hệ tọa độ địa phương 5 ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI 6 2
  3. 24/09/2016 ĐỊNH VỊ VỆ TINH 7 ĐO CỰ LY TỚI VỆ TINH 8 ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI TỪ VỆ TINH 9 3
  4. 24/09/2016 1.2 Mô tả hệ thống GPS Hình 1.1 Các đoạn trong hệ thống GPS 10 1.2.1 Đoạn không gian - 24 vệ tinh chia thành 6 quỹ đạo - Mỗi mặt phẳng quỹ đạo tạo với mặt xích đạo một góc 55o - Cách mặt đất khoảng 20.200 km - Mỗi vòng bay hết 11 giờ 58 phút. - Vệ tinh phát tín hiệu được mã hoá và thông tin đạo hàng, được điều biến trên hai sóng tải. - Vệ tinh có kích thước chừng 5m, trọng lượng 1÷2 tấn, được trang bị 2 đồng hồ nguyên tử loại rubidium và 2 đồng hồ nguyên tử loại celium. Tuổi thọ vệ tinh là 7,5 năm. 11 Satellite launches Currently in Launch Block Suc- Fail- In prep- Plan- orbit Period cess ure aration ned and healthy I 1978–1985 10 1 0 0 0 II 1989–1990 9 0 0 0 0 IIA 1990–1997 19 0 0 0 0 IIR 1997–2004 12 1 0 0 12 IIR-M 2005–2009 8 0 0 0 7 IIF 2010-2016 12 0 0 0 12 IIIA From 2017 0 0 0 12 0 IIIB — 0 0 0 8 0 IIIC — 0 0 0 16 0 Total 70 2 0 36 31 (Last update: Feb 29, 2016) Nguồn: 12 4
  5. 24/09/2016 Nguồn: 13 Atlas V GPS IIF-12 Launch Nguồn: 14 GPS III Nguồn: 15 5
  6. 24/09/2016 Nguồn: 16 Hình 1.2a Vệ tinh GPS Block IIA Nguồn: 17 Hình 1.2b Vệ tinh GPS Block IIR Nguồn: 18 6
  7. 24/09/2016 Hình 1.2c Vệ tinh GPS Block IIR(M) Nguồn: 19 Hình 1.2d Vệ tinh GPS Block IIF Nguồn: 20 Hình 1.2e Vệ tinh GPS Block III Nguồn: 21 7
  8. 24/09/2016 Hình 1.4: Mô hình thu tín hiệu vệ tinh GPS Nguồn: 22 Hình 1.5: Thông tin quỹ đạo các hệ thống ĐVTC Nguồn: 23 Chương trình hệ thống GPS Nguồn: 24 8
  9. 24/09/2016 1.2.2 Đoạn điều khiển 25 2 SOPS keeps GPS flying Nguồn: 26 GPS OCX Modernization Nguồn: 27 9
  10. 24/09/2016 1.2.3 Đoạn sử dụng - Cách sử dụng máy thu tín hiệu GPS. - Các phương pháp đo GPS. - Các ứng dụng GPS. Hình 1.7 Quan hệ giữa các đoạn trong GPS 28 1.3 CƠ SỞ CỦA KỸ THUẬT ĐO GPS 1.3.1 Cấu trúc tín hiệu GPS - Đồng hồ nguyên tử celium trên vệ tinh tạo -12 tần số chuẩn fo=10,23Mhz với sai số 10 /ngày. - Sóng tải L1 được tạo ra bằng bội số 154 lần tần số chuẩn (tần số 1575,42 Mhz, bước sóng 19,0 cm) - Sóng tải L2 được tạo ra bằng bội số 120 lần tần số chuẩn (tần số 1227,60 Mhz, bước sóng 24,0 cm). 29 Có 3 loại mã trên sóng tải là mã C/A, mã P và Thông tin đạo hàng. - Mã C/A thường được hiểu là mã thông dụng gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được lặp lại sau mỗi phần triệu giây, tương đương chiều dài bước sóng 300m. Mã C/A chỉ được truyền có trên sóng tải L1. - Mã P - mã chính xác là chuỗi rất dài kí tự 0 và 1, được lặp lại sau 01 tuần lễ, chiều dài bước sóng là 29,30m. Nó được truyền trên cả hai sóng tải. - Tuy nhiên, Bộ Quốc phòng Mỹ đã sử dụng mã W để che phủ lên mã P tạo nên mã Y. Chỉ có Quân đội Mỹ và đồng minh mới được tiếp cận mã P. 30 10
  11. 24/09/2016 - Thông tin đạo hàng là chuỗi số liệu được bổ sung trên hai sóng tải và điều biến lưỡng pha với tốc độ chậm 50bit /giây và lặp lại sau 30 giây. Thông tin đạo hàng chứa toạ độ vệ tinh theo thời gian, tình trạng sức khoẻ của vệ tinh, các trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, số liệu almanac của vệ tinh, số liệu khí tượng. Mỗi vệ tinh truyền thông tin đạo hàng của riêng mình cùng với các thông tin trên các vệ tinh khác như là toạ độ gần đúng, tình trạng sức khoẻ. 31 Hình 1.8 Sơ đồ về cấu trúc tín hiệu GPS 32 Bảng 1.2- Các thành phần tín hiệu GPS Tần số Bước Các thành phần (MHz) sóng Tần số cơ bản fo 10,23 Sóng tải L1 (154fo) 1575,42 19,0 cm Sóng tải L2 (120fo) 1227,60 24,0 cm Mã chính xác (P-code) fo 10,23 30 m Mã thông dụng (C/A code) fo/10 1,023 300 m W-code fo/20 0,5115 -6 Thông tin đạo hàng fo/204600 50.10 33 11
  12. 24/09/2016 Tín hiệu của các hệ thống định vị Hình 1.9 Tần số của các hệ thống ĐVTC 34 1.4 Các loại máy thu GPS Có thể phân ra hai loại máy thu GPS: máy thu một tần số và máy thu hai tần số. Máy thu một tần chỉ nhận được tín hiệu sóng tải L1. Máy thu 1 tần cũng có các cấu hình khác nhau và do đó chức năng cũng khác nhau, thông dụng hơn cả là loại máy thu 1 tần thu được cả code lẫn pha sóng tải. Máy thu 2 tần nhận được tín hiệu trên cả sóng tải L1 và L2. Tuy mã P bị che phủ, nhưng máy thu hai tần hiện nay có thể khôi phục được đầy đủ sóng tải L2 ở mức độ yếu hơn. 35 Máy thu GPS có thể có số lượng kênh khác nhau, từ 1 đến 12 kênh. Máy GPS tốt là máy nhiều kênh, trong đó mỗi kênh liên tục nhận tín hiệu từ một vệ tinh. Hiện nay các máy thu chủ yếu có từ 9 đến 12 kênh. Việc lựa chọn máy thu GPS còn phụ thuộc các yếu tố khác như giá cả, dễ sử dụng, mức tiêu hao năng lượng, kích thước và trọng lượng, khả năng chứa số liệu trong và ngoại vi, khả năng tương tác và mức độ giảm thiểu ảnh hưởng khúc xạ đa đường dẫn. 36 12
  13. 24/09/2016 Loại máy thu 1 tần giá rẻ, chủ yếu được sử dụng để đo đạc địa chính hay thành lập bản đồ. Nó cho phép đo chính xác trong khoảng cách ngắn, chừng 20 km trở lại. Loại máy thu 2 tần số hạn chế được ảnh hưởng này, nó cho phép đo khoảng cách tới các điểm xa tuỳ ý. Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như nghiên cứu chuyển động hiện đại, máy thu 2 tần số nhiên được ưu tiên lựa chọn. Ăng ten cũng là một bộ phận không thể thiếu của thiết bị đo GPS. Để giảm ảnh hưởng của sai số khúc xạ đa đường dẫn (multipath), cần lựa chọn loại ăng ten giảm thiểu được ảnh hưởng này. 37 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble Trimble M7 * Precise Positioning Service capable GPS receiver for surveying * Trimble Access field software designed for Military use * Field tested, ruggedized Survey System build to Military standards * Compatible with conventional (optical) equipment and construction machine control systems * Power Trimble Business Center office software used for processing and adjustment of both GPS and conventional data * Support both Military and Trimble data radios Nguồn: 38 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble Trimble R7 •Advanced, modular 72-channel system configuration •Trimble R-Track satellite tracking technology •External high power UHF radio provides the flexibility to be used on the pole or as a base station •Select from the Zephyr-2 GNSS antenna or the Zephyr-2 GNSS Geodetic antenna •Partner with Trimble Access and the TSC3 controller •Supports the GPS Modernization signals L2C, L5 and GLONASS •3 levels of OmniSTAR positioning – OmniSTAR HP, OmniSTAR XP and OmniSTAR VBS •Tracks both GPS and GLONASS Satellites Nguồn: 39 13
  14. 24/09/2016 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble Trimble R8 •Two integrated Trimble Maxwell 6 chips •440 GNSS channels •Capable to tracking satellite systems CMRx commincluding GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou(COMPASS), and QZSS •unications protocol gives you the most reliable positioning performance Nguồn: 40 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble Nguồn: 41 Một số loại máy thu GPS của hãng Leica Leica AS10 * For single reference stations, RTK and monitoring networks, the Leica AS10 SmartTrack antenna provides solid performance at an attractive price point. * This compact antenna with built-in groundplane supports the GPS, GLONASS, Galileo, Compass and SBAS signals and combines perfectly with the Leica GR10, GR25 and GMX902 receivers for a wide range of precision applications. Nguồn: 42 14
  15. 24/09/2016 Một số loại máy thu GPS của hãng Leica Leica GS15 From completely integrated to totally modular, the Leica Viva GS15 offers you the flexibility to choose which wireless communication device best meets your needs now and in the future. These devices are supported by intenna technology - a fully-integrated antenna concept. This smart antenna adjusts to any environment and delivers the most accurate results. Nguồn: 43 Một số loại máy thu GPS của hãng Leica Leica Viva GS12 •Built on years of knowledge and experience, the Leica GS12 delivers the hallmarks of Leica GNSS – reliability and accuracy. Leica SmartCheck – RTK data- processing to guarantee correct results •Leica SmartTrack – best measurement data quality in all environments •Leica SmartRTK – delivers consistent results in all networks Nguồn: 44 Một số loại máy thu GPS của hãng Ashtech Promark 2 Promark 3 45 15
  16. 24/09/2016 Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon HiPer Pro 2004 Nguồn: 46 Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon GR-3 series 2006 •GNSS (GPS + GLONASS + GALILEO) Receiver Nguồn: 47 Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon GR5 Reciever - Signals: GPS, Glonass, QZSS, SBAS, Galileo and Beidou - 226 Channel Vanguard TechnologyTM with Universal Tracking Channels - 32GB SDHC storage support Nguồn: 48 16
  17. 24/09/2016 Một số loại máy thu GPS của hãng Topcon HiPer SR Reciever - Signals: GPS (L1, L2, L2C), Glonass (L1, L2, L2C), QZSS-SBAS (L1, L2C) - 226 Channel Vanguard TechnologyTM with Universal Tracking Channels Nguồn: 49 Một số loại máy thu GPS của hãng South GALAXY G1 ●Innovative structure design ●Powerful new bluetooth mod ule ●Tilt survey ●Electronic bubble correct ●Full satellite constellations su pport ●Intelligent and open platform ●Cloud service ●Advanced data-link module ●NFC function Nguồn: 50 Một số loại máy thu GPS của hãng South S650/S660 ●220 channels ●GPS+GLONASS+BDS tracking ●Compatible with Android, iOS and Windows Mobile operating system Mobile devices ●Super capacity of battery built-in, typically 10 hours continuous work ●10cm×10cm×3.5cm dimension, lightweight and compact ●Brand new magnesium aluminum alloy shell design ●Completely work with SurvCE and FieldGenius Nguồn: 51 17
  18. 24/09/2016 Một số loại máy thu GPS của hãng CHC X20+ / X20i GPS Flexible and Competitive - Cutting edge Static GPS L1 survey technology in a cost effective package Easy to Use - 'Single Button' operation for static operation Easy data Download - High-speed USB data download insures desktop compatibility. Compact and Rugged - Small, lightweight and cable free for easy field operation Nguồn: article/detailPage/parentID/1462/cat_id/1463/artID/504 52 Một số loại máy thu GPS của hãng CHC X900+ GNSS Future proof 120-channel core GNSS with the ability to track GPS, GLONASS, Galileo and Beidou High performance GNSS RTK positioning covering wide range of applications Landstar or Carlson’s SurvCE Field data collection software scale to your survey need Integrated Bluetooth, GPRS and radio modem Innovative and rugged design built for harsh environment Nguồn: article/detailPage/parentID/1462/cat_id/1463/artID/485 53 Một số loại máy thu GPS của hãng CHC X900S-OPUS High Precision Static L1/L2 120channel GNSS Receiver: GPS, GLONASS and BeiDou Easy to Use - ‘Single Button’ operation for static operation Fast Data Download via high speed USB Compact and Rugged - Integrated rugged design for everyday intensive use Nguồn: article/detailPage/parentID/1462/cat_id/1463/artID/845 54 18
  19. 24/09/2016 1.5 Các hệ thời gian Hệ giờ thế giới UT (Universal Time) liên quan tới chuyển động quay của Trái đất quanh trục của nó mà dạng cơ bản là giờ UT1 (về giá trị bằng GMT). Hệ giờ động lực được lập để mô tả chuyển động của vật thể trong một khung quy chiếu cụ thể và phù hợp với lý thuyết trọng lực. Hệ giờ động lực Trái đất TDT (Terestrial Dynamic Time) dùng để tính quỹ đạo vệ tinh bay quanh Trái đất trong trường trọng lực của Trái đất. 55 Hệ giờ nguyên tử quốc tế TAI (International Atomic Time) được hình thành trên cơ sở phân tích thời gian nguyên tử của nhiều trung tâm trên thế giới và là hệ thời gian cơ bản trên Trái đất. Đơn vị cơ bản của TAI là giây. Hệ thời gian phối hợp quốc tế UTC (Universal Time Coordinated), có cùng vận tốc như TAI nhưng được hiệu chỉnh tăng thêm cái gọi là bước nhảy 1 giây. Vì TAI là thang thời gian liên tục nên xảy ra một vấn đề cơ bản cho người sử dụng, liên quan tới hiện tượng quay chậm dần 1 giây/ 1 năm của Trái đất xung quanh Mặt trời. 56 Hệ thời gian GPS - GPST đã được liên kết với UTC vào 0h ngày 6/1/1980. Ngoài ra tồn tại quan hệ: TAI = TDT – 32.184s TAI = GPST + 19 giây GPST = UTC + n (giây) (Năm 2015: n = 17) UTC = UT1 + dUT1 Nếu |dUT1| > 0,7s UTC sẽ được tăng 1s. Trong đó IERS có trách nhiệm theo dõi sự thay đổi này. 57 19
  20. 24/09/2016 Starting at TAI-UTC GPS-UTC TT-UT1 UT1-UTC 2009-01-01 +34 15 +65.78 +0.40 2009-07-01 " " +65.95 +0.23 2010-01-01 " " +66.07 +0.11 2010-07-01 " " +66.24 -0.06 2011-01-01 " " +66.32 -0.14 2011-07-01 " " +66.47 -0.29 2012-01-01 " " +66.60 -0.42 2012-07-01 +35 16 +66.77 +0.41 2013-01-01 " " +66.91 +0.27 2013-07-01 " " +67.13 +0.05 2014-01-01 " " +67.28 -0.10 2014-07-01 " " +67.49 -0.31 2015-01-01 " " +67.64 -0.46 2015-07-01 +36 17 +67.8 +0.4 Nguồn: 58 Hình 1.10 Các hệ thống thời gian 59 1.6 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG CÔNG NGHỆ GPS 1.6.1 Các hệ toạ độ trắc địa Một hệ toạ độ được định nghĩa bởi một tập hợp các quy tắc nhằm xác định toạ độ của các điểm. Nó bao gồm các thông số định nghĩa gốc toạ độ và định hướng các trục. Ta phân biệt: hệ toạ độ một chiều (1D), hệ toạ độ hai chiều (2D) và hệ toạ độ ba chiều (3D) và sử dụng chúng vào các mục đích và đối tượng khác nhau. Ta cũng phân biệt các hệ toạ độ theo mặt quy chiếu, gốc toạ độ hay góc định hướng trục toạ độ. Đối với hệ toạ độ 3D, ta chú ý tới hệ toạ độ vuông góc không gian (x, y, z) và hệ toạ độ địa lý. 60 20
  21. 24/09/2016 a, Hệ toạ độ vuông góc không gian (x, y, z) được giới thiệu trên Hình 1.12, ở đây cả ba trục cắt nhau tại gốc toạ độ C. Hình 1.11 Hệ toạ độ không gian ba chiều (x, y, z) 61 b, Hệ toạ độ địa lý nhận mặt quy chiếu là mặt ellipsoid tròn xoay, gốc toạ độ và các trục của nó được xác định bằng hai mặt phẳng: mặt phẳng kinh tuyến đi qua trục quay Trái đất (trục z) và mặt phẳng xích đạo của ellipsoid đã chọn. Hệ toạ độ địa lý có vai trò đặc biệt đối với các ứng dụng công nghệ GPS. Trong hệ toạ độ này, vị trí điểm được xác định bởi tập hợp 3 thành phần: độ vĩ ( ), độ kinh () và độ cao trên mặt ellipsoid (H). Ta có các công cụ hữu hiệu để tính chuyển toạ độ trắc địa ( , , H) sang toạ độ không gian ba chiều (x, y, z). 62 c, Hệ quán tính qui ước (Conventional Inertial System- CIS) Được sử dụng trong Trắc địa vệ tinh là hệ toạ độ 3D (X,Y,Z) - có gốc trùng trọng tâm Trái đất, - trục Z ứng với vị trí trục quay Trái đất tại thời điểm quy ước (hiện nay là 0h ngày 15/01/2000 theo giờ trọng tâm động lực (BDT) kí hiệu là J-2000 - trục X hướng từ tâm Trái đất đến điểm Xuân phân tại thời điểm quy ước này, sau khi đã hiệu chỉnh tuế sai và chương động. - trục Y được xác định theo trục Z và X tạo tam diện phải. 63 21
  22. 24/09/2016 c, Hệ quán tính qui ước (CIS) Đây là hệ toạ độ quán tính, trong đó định luật vận vật hấp dẫn của Newton được tuân thủ, nên dùng để biểu thị vị trí và trạng thái của vệ tinh trên quỹ đạo. Điểm xuân phân là giao của mặt phẳng hoàng đạo với xích đạo trái đất. Hình 1.12 Các điểm cơ bản trên mặt phẳng hoàng đạo64 1.6.2 Hệ trái đất qui ước (Conventional Terrestrial System-CTS) – Gốc hệ trùng với trọng tâm Trái đất. - Trục Z đi qua cực quay qui ước của Trái đất (CTP) là vị trí trung bình của trục quay Trái đất trong khoảng thời gian 1900÷1905. - Trục X là giao tuyến của mặt phẳng xích đạo trung bình và mặt phẳng kinh tuyến Greenwich trung bình. - Trục Y hợp với trục X, Z để tạo nên hệ toạ độ thuận chiều phải. 65 1.6.3. Khung quy chiếu Trái đất quốc tế (International Terrestrial Reference Frame-ITRF) Từ giữa 1980, các nhà khoa học đã dùng GPS để đo chuyển động của lớp vỏ trái đất và mong muốn định nghĩa hệ tọa độ chính xác hơn. Năm 1991 tổ chức IGS thành lập để hỗ trợ các hoạt động định vị vệ tinh. Năm 1994 tổ chức này lập mạng lưới gồm 40 trạm đo cốt lõi khắp thế giới. Định nghĩa khung tham khảo mới ITRF. Mỗi năm các kết quả quan trắc mới được xử lý để cho một hệ qui chiếu mới ITRFxxxx (xxxx ký hiệu năm). 66 22
  23. 24/09/2016 1.6.3. Khung quy chiếu Trái đất quốc tế ITRF được nhận biết thông qua tọa độ X0 ở thời điểm t0 và vận tốc V các trạm đo IGS. Tọa độ vào thời điểm bất kỳ t được tính: X(t) = X0 + V(t – t0) t thường được tính theo đơn vị năm. Hệ WGS84 đồng nhất với ITRF1991 vào t=1994.0. Thông tin về ITFR có thể theo dõi tại Website: 67 1.6.4 Hệ toạ độ WGS-84 Hệ toạ độ WGS 84 được định nghĩa bởi: - Ellipsoid WGS 84, - Gốc toạ độ trùng với tâm hệ Trái đất (bao gồm cả đại dương và khí quyển) với độ chính xác 1m, - Định hướng các trục (định hướng của đường xích đạo ellipsoid và đường kinh tuyến gốc) trùng với đường xích đạo và đường kinh tuyến gốc của Uỷ ban giờ quốc tế tại thời điểm 1984.0. 68 - Từ 1984.0 định hướng các trục và của ellipsoid được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0. Điều này bảo đảm trục Z của hệ quy chiếu WGS84 trùng với Cực quay quy chiếu quốc tế và kinh tuyến gốc của ellipsoid trùng với kinh tuyến quy chiếu quốc tế. - Hình dạng và kích thước của ellipsoid WGS84 được xác định bởi cặp tham số bán kính lớn và độ dẹt. - Giá trị vận tốc góc quay chuẩn của Trái đất và hằng số trọng lực trái đất được nhận theo các giá trị quy ước. 69 23
  24. 24/09/2016 Một số lưu ý: - Ellipsoid WGS 84 được xác định theo nghĩa thích hợp nhất với Geoid trên quy mô toàn cầu. - Các trục của hệ toạ độ WGS 84 được thay đổi sao cho chuyển động trung bình của các mảng kiến tạo so với ellipsoid bằng 0 và do đó các đường kinh tuyến và vĩ tuyến của nó không cố định đối với một quốc gia cụ thể. - Khách hàng GPS khai thác thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ tính được toạ độ của mình trong hệ WGS 84. Khi sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác từ Tổ chức IGS, ta sẽ nhận được toạ độ trong ITRF. 70 - Hiện nay Việt Nam cũng sử dụng ellipsoid WGS 84, được định vị cho thích hợp với lãnh thổ của mình trên cỡ 25 điểm đo GPS khá chính xác kèm theo đo thuỷ chuẩn chính xác trong hệ độ cao Hòn Dấu, nên gọi là hệ quy chiếu riêng. Đối với hệ quy chiếu địa phương kiểu này, tâm ellipsoid không trùng với tâm Trái đất và thậm chí trục của nó cũng không song song với các trục tương ứng của hệ WGS 84. Việt Nam xây dụng hệ quy chiếu riêng gọi là VN2000. Mỗi điểm trong số 25 điểm trên có sai số định vị cỡ 1÷3m trong hệ WGS 84. 71 1.6.5 Tính chuyển giữa các hệ toạ độ Trước kỷ nguyên GPS, hệ toạ độ mặt phẳng và hệ toạ độ độ cao tách riêng độc lập nhau, ngoài ra hệ toạ độ mặt bằng không phải là địa tâm vì ellipsoid được định vị cho thích hợp nhất với lãnh thổ từng quốc gia. Cho nên, ta thường gọi chúng là hệ toạ độ địa phương. Muốn chuyển từ hệ toạ độ địa phương sang hệ toạ độ toàn cầu WGS 84 (và ngược lại) cần biết 9 tham số tính chuyển, bao gồm hai tham số mô tả kích thước hình dáng của ellipsoid (a và f) và 7 tham số tính chuyển toạ độ không gian là 3 giá trị độ lệch gốc toạ độ, 3 giá trị góc quay Euler của trục toạ độ và 1 tham số về tỷ lệ dài. 72 24
  25. 24/09/2016 Hình 1.13 Hệ toạ độ địa tâm và Hệ toạ độ địa phương 73 1.6.6 Các hệ độ cao Độ cao của một điểm được định nghĩa là khoảng cách thẳng đứng tính từ mặt quy chiếu độ cao tới điểm đó. Mặt Geoid thường được chọn là mặt quy chiếu độ cao. Độ cao của một điểm so với mặt Geoid được gọi là độ cao chính; nó có thể dương (ở trên) hay âm (ở dưới Geoid). Loại độ cao này có ý nghĩa vật lý rõ ràng nên thường được sử dụng trong thực tiễn, vẽ nên mặt địa hình mặt đất. Trong công nghệ GPS, độ cao điểm đo lại được quy chiếu về mặt ellipsoid, nên được gọi là độ cao trên mặt ellipsoid. Loại độ cao này không có ý nghĩa vật lý như độ cao chính, nên các thiết bị đo đạc khác, chẳng hạn toàn đạc không thể đo được. 74 Hình 1.14 Các hệ độ cao Mối quan hệ giữa độ cao trắc địa và độ cao thủy chuẩn: H = h + N N: Khoảng cách giữa geoid và ellipsoid được gọi là độ cao geoid hoặc sóng geoid hay dị thường độ cao. 75 25
  26. 24/09/2016 1.7 Các đại lượng đo trong GPS 1.7.1 Trị đo giả khoảng cách Giả khoảng cách là số đo khoảng cách từ vệ tinh GPS tới ăng ten máy thu. Khoảng cách giả được đo bằng mã. Hình 1.15 Trị đo giả khoảng cách 76 Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được mô hình hoá như sau: j j j R i (t) = i (t) + c  i (t) (1.1) Trong đó: j R i (t): khoảng cách giả đo được từ vị trí máy thu i đến vệ tinh j. j i (t): khoảng cách hình học giữa vệ tinh và máy thu. c: vận tốc ánh sáng. j  i (t): sai số đồng hồ 77 Khoảng cách hình học vệ tinh-máy thu: = ( ) +( ) +( ) (1.2) Độ lệch đồng hồ j j  i (t) = i (t) -  (t) (1.3) Về sai số đồng hồ vệ tinh j: j 2  (t) = a0 + a1 (t – t0) + a2 (t – t0) (1.4) Ta viết lại phương trình (1.1) như sau: j j j R i (t) = i (t) - c (t) + ci (t) (1.5) 78 26
  27. 24/09/2016 1.7.2 Trị đo pha sóng tải Trị đo pha là hiệu số giữa pha sóng tải nhận từ vệ tinh qua ăng ten máy thu và pha sóng tạo ra trong máy thu nhờ bộ tạo dao động. Có thể đo được khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu bằng pha sóng tải. Khoảng cách này sẽ bằng tích của hai thừa số, một là độ dài bước sóng tải và thừa số thứ hai là pha. Máy thu có thể đo được phần lẻ của bước sóng một cách rất chính xác (dưới 2mm). Nhưng không đo được số nguyên lần bước sóng. Nên nó được coi là ẩn số hay còn gọi số nguyên đa trị N. 79 Hình 1.16 Trị đo pha sóng tải 80 Trị đo giả khoảng cách theo pha được biểu diễn bằng mô hình toán sau: j j j j j  i (t) = (1/) i (t) + N i + f  i (t) (1.6) Thay (1.3) vào (1.6) ta sẽ có: j j j j j j  i (t) = (1/) i (t) + N i + f  (t) - f i (t) (1.7) Ta thấy trong (1.7) còn 5 ẩn số đó là 3 ẩn số tọa độ điểm đo, 1 ẩn số nguyên đa trị N và một ẩn số là sai số đồng hồ máy thu. Do đó để định vị được bằng pha máy thu phải thu được tối thiểu 5 trị đo pha từ mỗi vệ tinh. 81 27
  28. 24/09/2016 1.8 Sự gián đoạn tín hiệu (Cycle slips) Một gián đoạn tín hiệu - hay còn được gọi là trượt chu kỳ là một bước nhảy bất ngờ của số nguyên bước sóng trong trị đo pha, nguyên do là mất khả năng khoá tạm thời của vòng khép pha trong máy thu GPS do phần cứng máy thu có vấn đề hay do tác động khác bình thường của tầng điện ly, cũng có thể do các vật cản che chắn không cho tín hiệu từ máy thu đến với ăng ten. Hình 1.8 minh hoạ một trượt chu kỳ. Thời gian mất khoá này có thể rất ngắn, chỉ vài giây, nhưng cũng có khi kéo dài tới mấy phút, thậm chí đến hàng giờ. 82 Hình 1.17 Minh hoạ tín hiệu GPS 83 Hình 1.18 Hình minh họa trạm đo kém 84 28
  29. 24/09/2016 Hình 1.19 Hình minh họa trạm đo tốt 85 1.9 Tổ hợp tuyến tính các trị đo GPS a, Sai phân bậc 1 Các trị đo của hai máy thu GPS quan trắc đồng thời một vệ tinh sẽ chứa những sai số liên quan tới vệ tinh và các sai số liên quan khí quyển tương tự nhau. Do đó, khi ta tính hiệu (sai phân) các trị đo tại hai máy thu đồng thời, thì nhóm sai số liên quan vệ tinh và nhóm sai số liên quan khí quyển trong các sai phân này sẽ được giảm nhỏ. Sai phân này được gọi là sai phân bậc 1. Sai số đồng hồ vệ tinh được loại bỏ một cách hiệu quả trong sai phân này. 86 Hình 1.20 Sai phân bậc 1 87 29
  30. 24/09/2016 Phương trình pha tại điểm quan sát A và B: = + 1 = + Lấy hiệu số hai phương trình trên ta được: (1.8) = + Phương trình (1.8) được gọi là phương trình sai phân bậc nhất. 88 Ký hiệu: = = = = Phương trình (1.8) trở thành = + (1.9) Đây là dạng cuối cùng của phương trình sai phân bậc nhất và trong phương trình (1.9) đã loại bỏ sai số đồng hồ vệ tinh. 89 b, Sai phân bậc 2 Khi hai máy thu đồng thời quan trắc hai vệ tinh, ta sẽ tính được hai sai phân bậc 1 máy thu. Trừ đi cho nhau hai sai phân này, ta sẽ nhận được cái gọi là sai phân bậc 2 loại bỏ sai số đồng hồ cả máy thu lẫn vệ tinh và giảm thiểu đáng kể các loại sai số khác. Hình 1.21 Sai phân bậc 2 90 30
  31. 24/09/2016 Ta có hai phương trình sai phân bậc 1 như sau: = + = + Nếu coi tần số phát từ vệ tinh j và k là như nhau tức = ta có: 1 = + (1.10) Phương trình (1.10) viết gọn lại: , = , + , (1.11) 91 c, Sai phân bậc 3 Bởi vì việc quan trắc được thực hiện trong một khoảng thời gian dài nhất định, bao gồm các thời khắc đo (epoch) khác nhau, nên ta sẽ tạo được sai phân bậc 3 từ hai sai phân bậc 2, trong đó ẩn số số nguyên đa trị sẽ được loại bỏ, tạo điều kiện tìm được lời gải định vị nhanh tuy có kém chính xác. Nó cũng là công cụ hữu hiệu để phát hiện đoạn trị đo chứa trượt chu kỳ để ta tìm cách khắc phục. 92 Hình 1.22 Sai phân bậc 3 93 31
  32. 24/09/2016 Ký hiệu hai thời điểm quan sát là t1 và t2 cùng quan sát các vệ tinh j, k. Tương ứng ta có hai sai phân bậc 2: , = , + , , = , + , Hiệu của hai sai phân bậc 2 được: , , = , , (1.12) Biểu thức (1.12) là sai phân bậc 3, viết gọn lại: 1 , = , 94 Lưu ý: - Tất cả ba loại sai phân này đều có thể tạo ra đối với trị đo pha hay trị đo giả khoảng cách, máy thu 1 tần hoặc máy thu 2 tần. - Đối với máy 2 tần ta có thể tạo được tổ hợp tuyến tính L3 được tạo ra từ trị đo trên L1 và trị đo tương ứng trên L2. Loại bỏ đáng kể ảnh hưởng của độ trễ tầng ion nên hay gọi là tổ hợp tuyến tính phi ion. - Các trị đo trên sóng tải L1 và L2 còn cho phép tạo ra trị đo cổng rộng (Wide-land) với bước sóng 86cm và trị đo cổng hẹp (Narow-land) bước sóng 11cm, để tìm lời giải số nguyên đa trị hiệu quả hơn. 95 CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG ĐO GPS 2.1 Sai số đoạn không gian 2.1.1 Sai số toạ độ vệ tinh Sai số quỹ đạo thông thường đạt danh nghĩa trong khoảng 2÷5m. Sai phân bậc 1 nhìn chung không thể loại bỏ hoàn toàn sai số quỹ đạo vệ tinh, trừ trường hợp hai máy thu đặt gần nhau (cạnh ngắn). Trong định vị tương đối, đã xác định được mối quan hệ giữa sai số đo cạnh và sai số quỹ đạo vệ tinh như sau: Sai số đo cạnh / chiều dài cạnh = sai số quỹ đạo vệ tinh / khoảng cách tới vệ tinh. 96 32
  33. 24/09/2016 Ví dụ: Khi sai số quỹ đạo là 5m và chiều dài cạnh là 10 km thì sai số đo cạnh do ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh là 2,5 mm. Trong các ứng dụng GPS đòi hỏi độ chính xác cao như thành lập khung quy chiếu toàn cầu, khu vực quốc gia, nghiên cứu động lực vỏ Trái đất, ta sử dụng toạ độ vệ tinh chính xác (do Tổ chức IGS cung cấp) thay cho toạ độ vệ tinh trong Thông điệp đạo hàng. Toạ độ vệ tinh chính xác này có sai số cỡ 5 cm. 97 Bảng 2.1 Các loại lịch vệ tinh hiện có Loại orbit Sai số [m] Khả năng tiếp cận Địa chỉ tiếp cận Quảng bá 3,0 Thời gian thực Máy thu GPS Mã dự báo 0,2 Thời gian thực FTP Mã nhanh 0,1 Sau 16 giờ FTP Mã kết 0,05 Sau 5÷11 ngày FTP (final) IGS cực 0,2 Sau 3 giờ IGS nhanh IGS nhanh 0,1 Sau 19 giờ IGS IGS kết 0,05 Sau 13 ngày IGS (final) Địa chỉ tải lịch vệ tinh: 98 Hình 2.1 Cấu trúc bản lịch vệ tinh quảng bá 99 33
  34. 24/09/2016 Các tham số của bản lịch vệ tinh quảng bá - toe thời gian tham khảo của bản lịch - a0, a1, a2 các hệ số đa thức để tính số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. Các tham số Kepler - : căn bậc 2 bán trục lớn của quỹ đạo VT - e: tâm sai ellip quỹ đạo VT - i0: Góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo ở thời điểm tham khảo. - 0: Hoàng kinh của điểm thăng ở thời điểm tham khảo. - : Đối số của cận điểm - M0: Dị thường trung bình ở thời điểm tham khảo. 100 Hình 2.2 Các tham số Kepler 101 Các tham số của bản lịch vệ tinh quảng bá Các tham số nhiễu loạn - n Hiệu chuyển động trung bình với giá trị đã tính. -  Tốc độ thay đổi của điểm thăng. - i tốc độ thay đổi của góc nghiêng. - Cus biên độ của shc điều hòa sin vào đối số vĩ độ. - Cuc biên độ của shc điều hòa cosin vào đối số vĩ độ. - Cis biên độ của shc điều hòa sin vào góc nghiêng. - Cic biên độ của shc điều hòa cosin vào góc nghiêng. - Crs biên độ của shc điều hòa sin vào bán kính quỹ đạo. - Crc biên độ của shc điều hòa cosin vào bán kính quỹ đạo. 102 34
  35. 24/09/2016 Bản lịch chính xác IGS - Là sản phẩm của cơ quan IGS (International GPS Service for Geodynamics) bắt đầu từ năm 1992. - IGS có 9 trung tâm phân tích độc lập: COD, EMR, ESA, GFZ, GRG, JPL, MIT, NGS và SIO. - Chín quĩ đạo riêng sẽ được kết hợp với nhau trên cơ sở trung bình trọng số để tạo ra quỹ đạo tốt nhất. - Các bản lịch IGS cho ở định dạng SP3. 103 Hình 2.3 Truy cập vào website tải lịch VT chính xác 104 Hình 2.3 Truy cập vào website tải lịch VT chính xác 105 35
  36. 24/09/2016 Hình 2.4 Cấu trúc của bản lịch vệ tinh SP3 106 Nội suy vị trí vệ tinh - Bản lịch vệ tinh SP3 chỉ cho tọa độ ở các thời điểm chẵn cách nhau 15 phút. - Để nhận được tọa độ vệ tinh ở thời điểm bất kỳ cần phải tiến hành nội suy theo các thời điểm chẵn này. - Phương pháp nội suy đơn giản nhất là phương pháp Lagrange. - Theo các nghiên cứu, chỉ cần dùng đa thức Lagrange bậc 9 có thể cung cấp độ chính xác yêu cầu về tọa độ và cả vận tốc vệ tinh. 107 Nội suy LAGRANGE - Nếu cho dãy giá trị quan trắc vào các thời điểm ti (i=1, 2, , n) có giá trị li (i=1, 2, , n). - Giá trị của đại lượng đó ở thời điểm t bất kỳ là: = ∑ () . Trong đó: = 108 36
  37. 24/09/2016 2.1.2 Sai số đồng hồ vệ tinh Các đồng hồ vệ tinh rất chính xác nhưng vẫn chưa hoàn hảo tuyệt đối. Độ ổn định của nó đạt khoảng (1÷2).10-13 /ngày. Nghĩa là, sai số đồng hồ vệ tinh khoảng 3 ns/ngày, gây nên sai số đo cạnh từ 1 m. Các trạm kiểm soát mặt đất theo dõi hoạt động của đồng hồ vệ tinh, tính độ lệch và cấp lên vệ tinh để gửi lại về máy thu trong Thông điệp đạo hàng dưới dạng các hệ số của đa thức bậc hai. 109 Các sai số đồng hồ vệ tinh dĩ nhiên gây nên sai số trong trị đo GPS. Tuy nhiên sai số này chung cho tất cả các máy thu cùng quan trắc tới một vệ tinh và do đó có thể loại bỏ nó trong sai phân bậc 1. Ngoài ra, khi sử dụng các trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh chứa trong Thông điệp đạo hàng, ta cũng giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai số này trong định vị xuống còn vài nano giây, gây nên sai số đo cạnh vài mét. 110 2.1.3 Độ suy giảm độ chính xác do đồ hình vệ tinh Độ chính xác kết quả đo GPS còn phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm đo trên mặt đất, đặc trưng bởi hệ số suy giảm độ chính xác (viết tắt theo tiếng Anh là DOP). DOP là tỷ số giữa sai số vị trí điểm đo và sai số trị đo. DOP càng nhỏ thì vị trí điểm đo được xác định càng chính xác; DOP thông thường lớn hơn 1, trừ phi có trị đo dư thừa hay nhận được tín hiệu từ trên 8 vệ tinh. 111 37
  38. 24/09/2016 DOP được sử dụng như là cơ sở để lập kế hoạch đo, DOP được chia thành: - GDOP - hệ số suy giảm độ chính xác hình học, là hệ số tổng hợp nhất. - PDOP - hệ số suy giảm độ chính xác vị trí điểm, - HDOP - hệ số suy giảm độ chính xác mặt bằng, - VDOP - hệ số suy giảm độ chính xác độ cao, - TDOP - hệ số suy giảm độ chính xác thời gian. 112 GDOP kém GDOP tốt Hình 2.4a Đồ hình vệ tinh so với máy thu 113 GDOP kém GDOP tốt Hình 2.4b Đồ hình vệ tinh so với máy thu 114 38
  39. 24/09/2016 2.2 Sai số đoạn sử dụng 2.2.1 Sai số đồng hồ máy thu Đồng hồ máy thu chỉ là loại đồng hồ thạch anh, có độ chính xác kém xa đồng hồ vệ tinh. Tuy nhiên ta có thể loại bỏ sai số đồng hồ máy thu bằng sai phân bậc 2 hoặc bằng cách coi nó là ẩn số bổ sung trong quá trình xử lý. 115 2.2.2 Sai số tâm pha ăng ten Như đã biết, ăng ten nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh đến và chuyển đổi năng lượng thành dòng điện để chuyển vào máy thu. Điểm mà tín hiệu GPS được tiếp nhận gọi là tâm pha ăng ten. Nhìn chung, tâm pha ăng ten không trùng với tâm vật lý (hình học) của ăng ten. Đối với mỗi điểm đo, độ lệch này thay đổi tuỳ thuộc góc ngưỡng nhận tín hiệu, phương vị của vệ tinh phát tín hiệu xuống cũng như cường độ của tín hiệu. Mức độ sai số này tuỳ thuộc vào loại ăng ten. Cũng giống như đối với sai số khúc xạ đa đường dẫn, ta rất khó mô hình hoá sự thay đổi tâm pha ăng ten và do đó không thể loại bỏ trong quá trình xử lý số liệu đo. Tuy nhiên ảnh hưởng của sai số này tới định vị không lớn nên thường được bỏ qua trong các ứng dụng thông thường. 116 2.2.3 Sai số khúc xạ đa đường dẫn Sai số khúc xạ đa đường dẫn là nguồn sai số đáng quan tâm đối với cả trị đo pha sóng tải lẫn trị đo giả khoảng cách. Nguyên nhân do sóng tín hiệu từ vệ tinh đến ăng ten máy thu bằng nhiều đường khác nhau: trực tiếp từ vệ tinh và từ các vật cản chung quanh điểm đo phản xạ tới. Sai số này lớn nhất vào khoảng 15 – 20 m. Để giảm sai số này dung công nghệ Choke ring hay giải pháp lắp thêm vành chống nhiễu xạ và nâng cao chất lượng máy thu. Tốt nhất đối người sử dụng là chọn điểm đo có độ thông thoáng tốt ngoài thực địa với góc ngưỡng cao thích hợp (<15). Trong quá trình xử lý số liệu đo, phải tiếp tục giảm thiểu ảnh hưởng này. 117 39
  40. 24/09/2016 Hình 2.5 Khúc xạ đa đường dẫn 118 2.2.4 Độ trễ tầng điện ly Được phát từ độ cao hơn 20.200km xuống máy thu đặt trên Trái đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu gây nên cái gọi là độ trễ. Cả hai đều gây nên sai số hệ thống. Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín hiệu vệ tinh; độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo theo thời gian. Mặt khác, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu, và tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly. Độ trễ tín hiện của L2 nhỏ hơn nhiều so với L1. 119 Hình 2.6 Các tầng của khí quyển Trái đất 120 40
  41. 24/09/2016 Rút ra một số kết luận: (1) Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do độ trễ điện ly sẽ làm cho việc khắc phục trượt chu kỳ khó khăn và việc tìm lời giải số nguyên đa trị khó khăn hơn đối với chiều dài cạnh đo lớn; (2) Tiến hành đo vào đêm tốt hơn ngày; (3) Sử dụng mô hình dự báo độ trễ tầng điện ly trong thông điệp đạo hàng quảng bá; (4) Sử dụng máy đo 2 tần số sẽ cho phép tạo nên lời giải loại bỏ được ảnh hưởng tầng điện ly; (5) Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai số độ trễ điện ly xuống khoảng 1÷2mm. 121 2.2.5 Độ trễ tầng đối lưu Ngay phía dưới tầng điện ly là tầng đối lưu. Ảnh hưởng của tầng đối lưu (nằm cách mặt đất từ 0÷70km) - mà cụ thể là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm không khí - gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến cả mã (code) lẫn pha sóng tải đều chịu cùng một độ trễ. Độ trễ này phụ thuộc vào góc ngưỡng của vệ tinh: - Khi vệ tinh ở thiên đỉnh giá trị đạt cỡ 2,3m, - Khi vệ tinh ở góc ngưỡng 150 đạt 9,3 m, - Khi vệ tinh ở góc ngưỡng 50 đạt 20 ÷ 28 m. 122 Độ trễ tầng đối lưu có thể tách ra hai thành phần: khô và ướt. - Thành phần khô gây nên 90% tổng độ trễ, nó có thể được mô hình hoá bằng hàm bậc cao để hiệu chỉnh trong quá trình xử lý. - Thành phần ướt gây nên 10% độ trễ còn lại, nó phụ thuộc vào độ ẩm dọc đường truyền tín hiệu GPS và không dự báo được. Ngày nay có thể sử dụng dữ liệu khí tượng chuẩn (áp suất không khí 1010mb, nhiệt độ 200C và độ ẩm không khí 50%) trong các mô hình khí tượng thay vì số liệu đo thực tế mà vẫn đạt được kết quả thoả mãn trong đa số trường hợp. 123 41
  42. 24/09/2016 Nhìn chung, độ trễ tầng đối lưu được xem là tương tự nhau đối với hai điểm đo cách nhau dưới vài ba chục cây số và với độ chênh cao địa hình không đáng kể; trong trường hợp này nó được giảm thiểu trong gia số toạ độ giữa hai điểm đo. Cần lưu ý rằng ảnh hưởng này không phụ thộc vào tần số, nghĩa là nó tác động như nhau tới số liệu đo thu bằng máy một tần cũng như máy hai tần. Tuy nhiên, đối với số liệu đo cả hai tần, có thể tạo nên phương trình kết hợp để loại bỏ ảnh hưởng của nó. 124 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS Định vị tuyệt đối (hay còn gọi là định vị điểm) sử dụng chỉ một máy thu GPS đo giả khoảng cách bằng mã tới ít nhất 4 vệ tinh rồi tính toạ độ vị trí điểm tức thời. Độ chính định vị mặt bằng ước đạt 22 m trong điều kiện hiện tại. Định vị tương đối sử dụng đồng thời ít nhất hai máy thu. Nếu các máy thu này đồng thời nhận được tín hiệu từ cùng ít nhất 4 vệ tinh, ta xác định được toạ độ vị trí điểm với độ chính xác có thể đạt tới vài mm, cùng lắm thì tới mét. 125 3.1 Đo tuyệt đối bằng GPS Hình 3.1 Đo tuyệt đối bằng GPS 126 42
  43. 24/09/2016 Nguyên tắc định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được mô hình hoá như sau: j j j R i (t) = i (t) + c  i (t) (3.1) Trong đó: j R i (t): khoảng cách giả đo được từ vị trí máy thu i đến vệ tinh j. j i (t): khoảng cách hình học giữa vệ tinh và máy thu. c: vận tốc ánh sáng. j  i (t): sai số đồng hồ 127 Khoảng cách hình học vệ tinh-máy thu: = ( ) +( ) +( ) (3.2) Độ lệch đồng hồ j j  i (t) = i (t) -  (t) (3.3) Về sai số đồng hồ vệ tinh j: j 2  (t) = a0 + a1 (t – t0) + a2 (t – t0) (3.4) Ta viết lại phương trình (3.1) như sau: j j j R i (t) = i (t) - c (t) + ci (t) (3.5) 128 Khai triển Taylor và giữ lại số hạng bậc nhất của dXi, dYi, dZi biểu thức (3.5) ta được: , + . = , , , , , + . () , Viết hệ phương trình dưới dạng ma trận: V = A.X - L (3.6) 129 43
  44. 24/09/2016 Trong trường hợp này nếu coi các khoảng cách giả đo được là cùng độ chính xác thì hệ phương trình chuẩn có dạng: . . . = 0 Giải hệ phương trình chuẩn = (). . (1.7) Sai số trung phương trọng số đơn vị được tính theo công thức: = ± (1.8) 130 Tính ma trận nghịch đảo = ()= Tính ma trận hiệp phương sai vị trí điểm = = 131 Trong đó: = Ma trận xoay R . . = . . 0 Với B, L là độ vĩ, độ kinh của điểm quan sát. 132 44
  45. 24/09/2016 Tính các giá trị DOP = + + + P = + + T = H = + V = Trong đó: DOP: Dilution of Precision 133 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 45
  46. 24/09/2016 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 137 hình vệ tinh. Hình 3.3 Đo GPS tĩnh 138 46
  47. 24/09/2016 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 47
  48. 24/09/2016 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 48
  49. 24/09/2016 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 49
  50. 24/09/2016 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 các máy chạy được 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 50
  51. 24/09/2016 Hiệu chỉnh vị trí điểm Tại trạm máy chủ, vào thời điểm t sẽ tính được sai lệch tọa độ: = = = Trong đó: XB, YB, ZB là 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 51
  52. 24/09/2016 CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG GPS 4.1 Khái quát về một số ứng dụng GPS GPS là một công nghệ đo đạc hiện đại có nhiều ưu điểm, đó là: - Độ chính xác cao, - Năng suất đo đạc rất cao, - Không đòi hỏi tầm nhìn thông giữa các điểm, - Đo đạc trong mọi lúc, - Khả năng tích hợp cao với các kỹ thuật khác. 154 Một số ứng dụng của GPS -Ứng dụng trong trắc địa cao cấp -Ứng dụng trong trắc địa ảnh -Ứng dụng trong trắc địa biển -Ứng dụng trong đo đạc địa chính, địa hình -Ứng dụng trong đạo hàng hàng hải và hàng không -Ứng dụng trong nghiên cứu địa động học -Ứng dụng trong lâm nghiệp -Ứng dung trong du lịch và thám hiểm - 155 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Đo lưới khống chế 156 52
  53. 24/09/2016 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Đo vẽ đường bờ biển 157 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Xác định tọa độ tâm chụp ảnh Hàng không 158 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Đo GPS trong thành phố 159 53
  54. 24/09/2016 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Đo GPS trong Trắc địa công trình 160 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trong trắc địa Đo địa hình 161 4.2 Đo lưới khống chế trắc địa, địa chính 4.2.1 Chọn điểm và thiết kế đo GPS a, Chọn điểm GPS - Điểm đo phải thông thoáng lên bầu trời, góc ngưỡng của vật cản không quá 15o. - Điểm đo không gần các mặt phản xạ như mặt nước, bề mặt các công trình rắn có tính phản xạ. - Điểm đo cần cần cách xa ít nhất 500 mét đài phát sóng, đường dây điện cao thế để tránh gây nhiễu tín hiệu. 162 54
  55. 24/09/2016 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng 2 máy thu: Hình 4.1: Trường hợp sử dụng 2 máy thu 163 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng 3 máy thu: Hình 4.2a: Ca đo thứ 1 Hình 4.2b: Ca đo thứ 2 164 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng 3 máy thu: Hình 4.2c: Ca đo thứ 3 Hình 4.2d: Ca đo thứ 4 165 55
  56. 24/09/2016 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng 4 máy thu: Hình 4.3a: Ca đo thứ 1 Hình 4.3b: Ca đo thứ 2 166 4.2.2 Công tác chuẩn bị đo GPS - Kiểm tra thiết bị theo số lượng và chủng loại, kiểm tra hoạt động của các máy thu và ăng ten bằng cách đo kiểm tra tại cơ quan một ca đo dài chừng 1 giờ rồi trút số liệu tính toán kiểm tra chất lượng. - Chuẩn bị các nguồn điện, các linh kiện. - Chuẩn bị phương tiện vận chuyển người và thiết bị. - Chuẩn bị sổ đo và các Công văn giấy tờ khác. 167 4.2.3 Tổ chức đo ngoại nghiệp 1. Định tâm ăng ten 2. Đo độ cao ăng ten 3. Cài đặt các thông số cho máy thu GPS 4. Phải đảm bảo nguồn điện liên tục trong ca đo 5. Trường hợp dừng ca đo bắt buộc: Khi phát hiện ăng ten bị nghiêng hoặc lệch khỏi điểm (>5 mm) hoặc do các nguyên nhân khác thì phải tắt máy. Lúc này cần phải định tâm lại ăng ten, đo lại chiều cao ăng ten và bật máy tiếp tục ca đo (làm các bước từ mục 3. đến mục 6. và ghi vào tờ Nhật ký đo mới tiếp theo). 6. Lấp điểm sau khi kết thúc đo 7. Trút số liệu 168 56
  57. 24/09/2016 4.2.3 Xử lý số liệu đo GPS Hướng dẫn xử lý số liệu đo lưới khống chế mặt bằng theo công nghệ GPS bằng phần mềm Trimble Business Center 2.0; 2.2. 169 57