Bài giảng hệ thống định vị toàn cầu

24/09/2016 Khoa QLĐĐ&BĐS Bộ mơn Cơng nghệ Địa 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: http://www2.hcmuaf.edu.vn/?ur=thaihoa Tp HCM 5/2016 Đánh giá kết Điểm chuyên cần 10% - Đi học + thực hành đầy đủ Điểm kỳ 30% - Bình sai + biên tập bảng lưới khống chế địa đo cơng nghệ GPS (5 người / nhóm) Thi cuối kỳ 60% - Thi tự luận 60’, không sử dụng tài liệu - Hoặc đề mở 75’, áp dụng tính toán Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1 Ý tưởng GPS 24/09/2016 GPS Navigation Nguồn: https://www.youtube.com/watch?v=5ZEBmU9-qE8 ĐỊNH VỊ ĐIỂM - Định vị xác định vị trí vật thể tĩnh chuyển động Có Phương pháp: + Theo hệ tọa độ không gian ba chiều định nghĩa + Theo vị trí điểm khác, thừa nhận điểm gốc hệ tọa độ địa phương ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI 24/09/2016 ĐỊNH VỊ VỆ TINH ĐO CỰ LY TỚI VỆ TINH ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI TỪ VỆ TINH 24/09/2016 1.2 Mô tả hệ thống GPS Hình 1.1 Các đoạn hệ thống GPS 10 1.2.1 Đoạn không gian - 24 vệ tinh chia thành quỹ đạo - Mỗi mặt phẳng quỹ đạo tạo với mặt xích đạo góc 55o - Cách mặt đất khoảng 20.200 km - Mỗi vòng bay hết 11 58 phút - Vệ tinh phát tín hiệu mã hố thơng tin đạo hàng, điều biến hai sóng tải - Vệ tinh có kích thước chừng 5m, trọng lượng 1÷2 tấn, trang bị đồng hồ nguyên tử loại rubidium đồng hồ nguyên tử loại celium Tuổi thọ vệ tinh 7,5 năm 11 Block Launch Period Satellite launches Suc- Fail- In prep- Plancess ure aration ned 10 0 Currently in orbit and healthy I 1978–1985 II 1989–1990 0 0 IIA 1990–1997 19 0 0 IIR 1997–2004 12 0 12 IIR-M 2005–2009 0 IIF 2010-2016 12 0 12 IIIA From 2017 IIIB — IIIC — Total 0 70 0 0 12 0 0 16 0 36 31 (Last update: Feb 29, 2016) Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System 12 24/09/2016 Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ 13 Atlas V GPS IIF-12 Launch 14 Nguồn: https://www.gps.gov GPS III Nguồn: https://www.youtube.com/watch?v=LPwcKsF49iY 15 24/09/2016 Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ 16 Hình 1.2a Vệ tinh GPS Block IIA Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ Hình 1.2b Vệ tinh GPS Block IIR Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ 17 18 24/09/2016 Hình 1.2c Vệ tinh GPS Block IIR(M) Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ 19 Hình 1.2d Vệ tinh GPS Block IIF Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ Hình 1.2e Vệ tinh GPS Block III Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/space/ 20 21 24/09/2016 Hình 1.4: Mơ hình thu tín hiệu vệ tinh GPS Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System 22 Hình 1.5: Thơng tin quỹ đạo hệ thống ĐVTC Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System 23 Chương trình hệ thống GPS Nguồn: http://www.gps.gov/systems/gps/modernization/ 24 24/09/2016 1.2.2 Đoạn điều khiển 25 SOPS keeps GPS flying Nguồn: https://www.youtube.com/watch?v=unFVspzSIr0 26 GPS OCX Modernization Nguồn: https://www.youtube.com/watch?v=k4gGwVH_MaU 27 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 đoạn GPS 28 1.3 CƠ SỞ CỦA KỸ THUẬT ĐO GPS 1.3.1 Cấu trúc tín hiệu GPS - Đồng hồ nguyên tử celium vệ tinh tạo tần số chuẩn fo=10,23Mhz với sai số 10-12 /ngày - Sóng tải L1 tạo bội số 154 lần tần số chuẩn (tần số 1575,42 Mhz, bước sóng 19,0 cm) - Sóng tải L2 tạo bội số 120 lần tần số chuẩn (tần số 1227,60 Mhz, bước sóng 24,0 cm) 29 Có loại mã sóng tải mã C/A, mã P Thơng tin đạo hàng - Mã C/A thường hiểu mã thơng dụng gồm dãy 1023 kí tự 1, lặp lại sau phần triệu giây, tương đương chiều dài bước sóng 300m Mã C/A truyền có sóng tải L1 - Mã P - mã xác chuỗi dài kí tự 1, lặp lại sau 01 tuần lễ, chiều dài bước sóng 29,30m Nó truyền hai sóng tải - Tuy nhiên, Bộ Quốc phịng Mỹ sử dụng mã W để che phủ lên mã P tạo nên mã Y Chỉ có Quân đội Mỹ đồng minh tiếp cận mã P 30 10 24/09/2016 Nguyên tắc định vị tuyệt đối khoảng cách giả Khoảng cách giả theo mã thời điểm t mơ hình hố sau: Rji (t) = ji (t) + cji (t) (3.1) Trong đó: Rji (t): khoảng cách giả đo từ vị trí máy thu i đến vệ tinh j ji (t): khoảng cách hình học vệ tinh máy thu c: vận tốc ánh sáng ji (t): sai số đồng hồ 127 Khoảng cách hình học vệ tinh-máy thu: = ( ) +( ) (3.2) ) +( Độ lệch đồng hồ ji (t) = i (t) - j (t) (3.3) Về sai số đồng hồ vệ tinh j: j (t) = a0 + a1 (t – t0) + a2 (t – t0)2 (3.4) Ta viết lại phương trình (3.1) sau: Rji (t) = ji (t) - cj (t) + ci (t) (3.5) 128 Khai triển Taylor giữ lại số hạng bậc dXi, dYi, dZi biểu thức (3.5) ta được: , + = , , , , , + ( ) , Viết hệ phương trình dạng ma trận: V = A.X - L (3.6) 129 43 24/09/2016 Trong trường hợp coi khoảng cách giả đo độ xác hệ phương trình chuẩn có dạng: =0 Giải hệ phương trình chuẩn =( ) (1.7) Sai số trung phương trọng số đơn vị tính theo cơng 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 = Với B, L độ vĩ, độ kinh điểm quan sát 132 44 24/09/2016 Tính giá trị DOP = + + P = + + T = H V = = + + Trong đó: DOP: Dilution of Precision 133 3.2 Đo tương đối GPS Định vị tương đối sử dụng hai máy thu đồng thời quan trắc số vệ tinh để xác định hiệu toạ độ hai điểm tính toạ độ điểm so với điểm khác biết toạ độ xác Định vị tương đối cần tối thiểu tín hiệu đồng thời từ vệ tinh, nhiên, số lượng vệ tinh nhiều, độ xác định vị nâng cao Định vị tương đối sử dụng trị đo pha sóng tải giả khoảng cách hay kết hợp hai Độ xác định vị tương đối đạt mm sử dụng trị đo pha sóng tải hay m dùng trị đo mã 134 Nguyên đo đồng thời hai nhiều máy thu, trị đo chứa sai số nhìn chung tương tự (khoảng cách máy thu ngắn tương đồng lớn), nên sai số giảm thiểu trị gia số toạ độ Trong định vị tương đối, sử dụng hai kỹ thuật đo đo GPS tĩnh đo GPS động, kỹ thuật áp dụng cho mục đích đo đạc khác 135 45 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 kỹ thuật định vị tương đối sử dụng đồng thời hai nhiều máy thu đặt cố định điểm đo thu tín hiệu từ vệ tinh khoảng thời gian dài Các trạm đo đồng thời tạo nên ca đo Thời gian đo cho ca gọi độ dài thời lượng ca đo Ký hiệu n số máy thu ca đo, nhận ( ) (n-1) cạnh độc lập tổng số cạnh ca đo Thời lượng ca đo phụ thuộc vào khoảng cách máy thu, số lượng vệ tinh nhìn thấy và137đồ hình vệ tinh Hình 3.3 Đo GPS tĩnh 138 46 24/09/2016 Khi đo tĩnh, thường cài đặt thông số máy thu sau: - Tần suất ghi tín hiệu 10 15 giây, - Góc ngưỡng cao chuẩn 15o, - Số lượng vệ tinh tối thiểu Độ xác máy thu GPS 5+1ppm.D (mm) Phương pháp đo thường áp dụng lập Khung quy chiếu Trái đất quốc tế (IGS), đo đạc chuyển động mảng kiến tạo, lập hệ quy chiếu hệ tọa độ quốc gia, đo lưới khống chế cấp 139 3.2.2 Kỹ thuật đo GPS tĩnh nhanh (fast static) Đo GPS tĩnh nhanh tương tự đo tĩnh, khác biệt chỗ, máy - máy chủ (base) đặt điểm gốc hay điểm quy chiếu mà biết toạ độ xác cố định suốt ca đo, máy máy chạy (rover) khác dừng lại điểm chưa biết toạ độ thời gian ngắn di động sang điểm đo khác (Hình 3.4) Phương pháp đo thích hợp cho đo đạc lập đồ cần đo nhiều điểm chi tiết vùng không rộng (cách điểm gốc từ 15 km trở lại) có điều kiện đo đủ thơng thống 140 Hình 3.4 Đo GPS tĩnh nhanh 141 47 24/09/2016 Quá trình đo bắt đầu việc đặt máy chủ điểm gốc đặt máy chạy điểm đo cần xác định toạ độ Máy chủ nằm cố định điểm gốc liên tục thu tín hiệu vệ tinh Máy chạy thu số liệu điểm chừng 5÷20 phút Sau máy chạy chuyển đặt điểm đo lặp lại bước đo Cứ tiếp tục vậy, thu tín hiệu xong điểm chạy cuối kết thúc ca đo Độ xác đo cạnh đo tĩnh nhanh đạt trung bình 10 + 1ppm.D (mm) Chú ý:- Khi di chuyển, máy chạy bị tắt - Do thời lượng đo ngắn, nên tần suất ghi 5s 142 3.2.3 Kỹ thuật đo GPS động Đo GPS động thuộc định vị tương đối pha sóng tải sử dụng hai hay nhiều máy thu Trong phương pháp đo này, tương tự đo tĩnh nhanh, máy chủ đặt điểm gốc, máy chạy di chuyển đặt điểm đo, ta xác đinh toạ độ tức u cầu phương pháp suốt ca đo máy chủ máy chạy thu nhận tín hiệu từ tối thiểu vệ tinh chung Yêu cầu thứ hai vị trí (tốt điểm khởi đầu) máy chạy biết toạ độ 143 Phương pháp đo động đạt suất đo đạc cao mà đảm bảo độ xác Tuy nhiên, để bảo đảm máy đo liên tục thu tín hiệu vệ tinh giống nhau, điểm đo cách xa điểm gốc khơng q 10÷15 km, vùng đo phải có địa hình quang đãng, vật che chắn tín hiệu Có dạng đo GPS động thường dùng dừng (Stop and Go) thời gian thực (RTK) - Kỹ thuật Dừng Đi (Hình 3.5) Tương tự phương pháp đo tĩnh nhanh Khác biệt nằm chỗ, lần dừng điểm đo, máy chạy thu tín hiệu thời gian ngắn chừng 30 giây tần suất ghi số liệu giây 144 48 24/09/2016 Hình 3.5 Đo GPS động Dừng Đi (Stop and Go) 145 - Đo động thời gian thực (RTK) Sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu nhận tín hiệu từ vệ tinh chung trở lên, máy chủ, lại máy chạy Phương pháp thích hợp để đo nhiều điểm vùng hẹp (cách điểm gốc khơng q 10÷15km), toạ độ điểm yêu cầu xác định theo thời gian thực, vùng đo quang đãng Do hiệu mà trước hết suất đo đạc, phương pháp sử dụng rộng rãi 146 Nguyên lý đo RTK Máy chủ truyền trị đo pha máy chạy Máy chạy thành lập trị đo pha dạng sai phân để xử lý Vì trị đo pha có độ xác mm, nên độ xác định vị đạt từ cm đến dm tùy thuộc vào việc tìm tham số đa trị (ambiguity resolution) trị đo pha Việc giải thành công tham số đa trị dựa vào trị đo pha thời điểm đo thách thức lớn mặt thiết bị GPS (bao gồm phần cứng phần mềm) Ngồi cịn phụ thuộc nhiều vào khoảng cách máy chủ máy chạy, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời tốc độ di chuyển máy chạy 147 49 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 định vị tương đối, sử dụng đồng thời hai hay nhiều máy thu, máy chủ trang bị thêm phát sóng radio đặt điểm biết toạ độ máy chạy trang bị thêm thu sóng radio Bản chất phương pháp dựa thực tế sai số trị đo GPS máy chủ máy chạy giống khoảng cách chúng nằm khoảng vài trăm km Có hai phương pháp hiệu chỉnh đo DGPS là: vị trí điểm (position method) khoảng cách giả (measurement methode) 149 Hiệu chỉnh khoảng cách giả Phần mềm máy chủ sử dụng toạ độ điểm gốc toạ độ vệ tinh từ thơng điệp đạo hàng để tính khoảng cách tới vệ tinh, tính độ lệch khoảng cách vừa tính với giả khoảng cách tính từ trị đo mã để nhận trị hiệu chỉnh DGPS mà thực chất sai số giả khoảng cách Các trị hiệu chỉnh phát sóng radio tới máy chạy Phần mềm máy chạy sử dụng trị hiệu chỉnh để hiệu chỉnh trị đo giả khoảng cách tính toạ độ điểm đo Độ xác phương pháp đạt cỡ từ mét tới 5m, tuỳ thuộc vào khoảng cách máy chủ-máy chạy 150 50 24/09/2016 Hiệu chỉnh vị trí điểm Tại trạm máy chủ, vào thời điểm t tính sai lệch tọa độ: = = = Trong đó: XB, YB, ZB tọa độ điểm gốc XB(t), YB(t), ZB(t) tọa độ định vị tuyệt đối máy thu GPS đặt trạm base thời điểm t Các trị hiệu chỉnh coi số hiệu chỉnh vi phân phát rộng rãi theo phương thức vô tuyến cho trạm định vị tuyệt đối khác để hiệu chỉnh vào kết đo (coi thời điểm t) 151 Hiệu chỉnh vị trí điểm Tại máy chạy tọa độ tuyệt đối thời điểm t Xr(t), Yr(t), Zr(t) tọa độ sau cải vi phân là: = + = + = + Ưu điểm: - Loại bỏ nhiễu SA vài nguồn sai số khác mang tính hệ thống định vị tuyệt đối - Xác định tọa độ hệ thực dụng 152 Hình 3.7 Định vị GPS vi phân 153 51 24/09/2016 CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG GPS 4.1 Khái quát số ứng dụng GPS GPS công nghệ đo đạc đại có nhiều ưu điểm, là: - Độ xác cao, - Năng suất đo đạc cao, - Khơng địi hỏi tầm nhìn thơng điểm, - Đo đạc lúc, - Khả tích hợp cao với kỹ thuật khác 154 Một số ứng dụng GPS -Ứng dụng trắc địa cao cấp -Ứng dụng trắc địa ảnh -Ứng dụng trắc địa biển -Ứng dụng đo đạc địa chính, địa hình -Ứng dụng đạo hàng hàng hải hàng không -Ứng dụng nghiên cứu địa động học -Ứng dụng lâm nghiệp -Ứng dung du lịch thám hiểm - 155 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Đo lưới khống chế 156 52 24/09/2016 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Đo vẽ đường bờ biển 157 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Xác định tọa độ tâm chụp ảnh Hàng không 158 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Đo GPS thành phố 159 53 24/09/2016 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Đo GPS Trắc địa cơng trình 160 Một số hình ảnh ứng dụng GPS trắc địa Đo địa hình 161 4.2 Đo lưới khống chế trắc địa, địa 4.2.1 Chọn điểm thiết kế đo GPS a, Chọn điểm GPS - Điểm đo phải thơng thống lên bầu trời, góc ngưỡng vật cản không 15o - Điểm đo không gần mặt phản xạ mặt nước, bề mặt cơng trình rắn có tính phản xạ - Điểm đo cần cần cách xa 500 mét đài phát sóng, đường dây điện cao để tránh gây nhiễu tín hiệu 162 54 24/09/2016 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng máy thu: Hình 4.1: Trường hợp sử dụng máy thu 163 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng máy thu: Hình 4.2a: Ca đo thứ Hình 4.2b: Ca đo thứ 164 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng máy thu: Hình 4.2c: Ca đo thứ Hình 4.2d: Ca đo thứ 165 55 24/09/2016 b, Thiết kế đo GPS - Trường hợp sử dụng máy thu: Hình 4.3a: Ca đo thứ Hình 4.3b: Ca đo thứ 166 4.2.2 Công tác chuẩn bị đo GPS - Kiểm tra thiết bị theo số lượng chủng loại, kiểm tra hoạt động máy thu ăng ten cách đo kiểm tra quan ca đo dài chừng trút số liệu tính toán kiểm tra chất lượng - Chuẩn bị nguồn điện, linh kiện - Chuẩn bị phương tiện vận chuyển người thiết bị - Chuẩn bị sổ đo Công văn giấy tờ khác 167 4.2.3 Tổ chức đo ngoại nghiệp Định tâm ăng ten Đo độ cao ăng ten Cài đặt thông số cho máy thu GPS Phải đảm bảo nguồn điện liên tục ca đo Trường hợp dừng ca đo bắt buộc: Khi phát ăng ten bị nghiêng lệch khỏi điểm (>5 mm) nguyên nhân khác phải tắt máy Lúc cần phải định tâm lại ăng ten, đo lại chiều cao ăng ten bật máy tiếp tục ca đo (làm bước từ mục đến mục ghi vào tờ Nhật ký đo tiếp theo) Lấp điểm sau kết thúc đo Trút số liệu 168 56 24/09/2016 4.2.3 Xử lý số liệu đo GPS Hướng dẫn xử lý số liệu đo lưới khống chế mặt theo công nghệ GPS phần mềm Trimble Business Center 2.0; 2.2 169 57 ... https://www.youtube.com/watch?v=5ZEBmU9-qE8 ĐỊNH VỊ ĐIỂM - Định vị xác định vị trí vật thể tĩnh chuyển động Có Phương pháp: + Theo hệ tọa độ không gian ba chiều định nghĩa + Theo vị trí điểm khác, thừa nhận điểm gốc hệ tọa độ... hệ tọa độ địa phương ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI 24/09/2016 ĐỊNH VỊ VỆ TINH ĐO CỰ LY TỚI VỆ TINH ĐỊNH VỊ TƯƠNG ĐỐI TỪ VỆ TINH 24/09/2016 1.2 Mô tả hệ thống GPS Hình 1.1 Các đoạn hệ thống GPS 10 1.2.1 Đoạn... 1.10 Các hệ thống thời gian 58 59 1.6 CÁC HỆ TỌA ĐỘ TRONG CÔNG NGHỆ GPS 1.6.1 Các hệ toạ độ trắc địa Một hệ toạ độ định nghĩa tập hợp quy tắc nhằm xác định toạ độ điểm Nó bao gồm thơng số định nghĩa