Đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ rtk sử dụng trạm tham chiếu thường trực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT CAO VĂN TRUNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU THƯỜNG TRỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT CAO VĂN TRUNG ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU THƯỜNG TRỰC Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Dương Thành Trung Hà Nội – 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả CAO VĂN TRUNG iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG ĐO ĐẠC 1.1 Khái quát công nghệ GPS .4 1.1.1.Các thành phần GPS 1.1.2.Phần không gian 1.2 Phƣơng pháp đo GPS .11 1.2.1.Đo GPS tuyệt đối 11 1.2.2.Đo GPS tương đối 12 1.3 Các nguồn sai số đo GPS .20 1.3.1.Sai số phụ thuộc vào vệ tinh .21 1.3.2.Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu .23 1.3.3.Sai số liên quan tới máy thu .24 1.4 Các ứng dụng GPS đo đạc đồ 26 1.4.1.Ứng dụng thành lập lưới khống chế tọa độ 26 1.4.2.Ứng dụng đo vẽ chi tiết 27 1.4.3.Kết hợp GPS với phương pháp khác đo đạc 28 CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RTK TRẠM CORS TRONG ĐO ĐẠC BẢN ĐỒ 29 2.1 Khái quát công nghệ CORS 29 2.1.1.Khái niệm công nghệ CORS .29 2.1.2.Cấu trúc trạm CORS 29 2.1.3.Các kỹ thuật trạm CORS có .32 2.1.4.Tình hình ứng dụng cơng nghệ CORS đo đạc đồ 36 2.2 Các phƣơng án triển khai đo đạc địa cơng nghệ CORS 43 2.2.1.Đối với khu vực đo đạc tập trung 43 iv 2.2.2.Đối với khu vực đo đạc phân tán .44 2.3 Quy trình đo đạc sử dụng cơng nghệ CORS đo đạc địa 45 2.3.1.Sơ đồ thực 45 2.3.2.Thiết lập trạm CORS 45 2.3.3.Đo vẽ chi tiết 48 2.3.4.Đo vẽ cập nhật biến động 51 CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM CORS 53 53 53 .55 55 .56 3.2.3 Phân tích đánh giá kết thử nghiệm 57 -CORS 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh GPS Hình 1.2: Sơ đồ thành phần hệ thống GPS Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tín hiệu GPS Hình 1.4: Các trạm ăng ten mặt đất Hình 1.5: Mối quan hệ thành phần hệ thống vệ tinh phương pháp đo đạc GPS Hình 1.6: Sơ đồ giao hội khơng gian từ 03 vệ tinh 10 Hình 1.7: Độ lệch pha sóng từ vệ tinh sóng từ máy thu phát 12 Hình 1.8: Sai phân bậc 13 Hình 1.9: Sai phân bậc hai 14 Hình 1.10: Sai phân bậc ba .15 Hình 1.11: Sơ đồ phương pháp đo RTK 19 Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc trạm CORS 30 Hình 2.2: Trạm tham chiếu mặt đất 31 Hình 2.3: Trạm tham chiếu đặt nhà cao tầng .31 Hình 2.4: Sơ đồ truyển thơng tin tín hiệu 32 Hình 2.5: Trạm tham chiếu ảo cơng nghệ CORS 33 Hình 2.6: Thơng số hiệu chỉnh khu vực 34 Hình 2.7: Kỹ thuật phối hợp trạm phụ trợ trạm 35 Hình 2.8: Nâng cao kỹ thuật trạm tham chiếu ảo .36 Hình 2.9: Kỹ thuật DEEP – NRS .36 Hình 2.10: Sơ đồ phân bố trạm bố trạm CORS Mỹ .37 Hình 2.11: Sơ đồ phân bố trạm CORS Trung Quốc .37 Hình 2.12: Sơ đồ phân bố trạm CORS Australia 38 Hình 2.14: Sơ đồ phân bố trạm CORS Thái Lan 39 Hình 2.15: Sơ đồ vị trí 17 trạm CORS xây dựng Việt Nam 41 Hình 2.16: Sơ đồ phân bố số trạm CORS Việt Nam 42 Hình 2.17: Trạm CORS (SOUTH) Trường Đại học Mỏ - Địa chất 43 Hình 2.18: Sơ đồ trình đo đo đạc sử dụng cơng nghệ CORS 45 Hình 2.19: Sơ đồ tính tốn vị trí trạm CORS với mạng lưới điểm IGS lân cận vi 46 Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt trạm CORS 47 Hình 2.21: Sơ đồ quy trình đo vẽ chi tiết cơng nghệ CORS 49 Hình 3.1: Trạm tham chiếu hạng Leica tòa nhà tầng trường Đại học Mỏ - Địa Chất 54 Hình 3.2: Thiết bị mạng (có IP tĩnh) 54 Hình 3.3: Máy thu GNSS RTK có tên AiNav-RTK .55 Hình 3.4: Sơ đồ vị trí khu vực thực nghiệm .55 Hình 3.5: Đồ thị sai số vị trí điểm q trình thực nghiệm .57 Hình 3.6: Đồ thị khoảng cách thời gian trình thực nghiệm 58 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thời gian đo kiến nghị 17 Bảng 1.2: Các nguồn sai số định vị vệ tinh .20 Bảng 1.3: Mức độ ảnh hưởng nhiễu máy thu đến tín hiệu GPS 26 Bảng 3.1: Kết đo nối lưới tọa độ nhà nước 56 56 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT A/S: Anti Spoofing C/A: Coarse/Acquisition CORS: Continuosly Operating Reference Stations DGPS: Differential Global Positioning System ĐCCS: Địa sở FKP: Flächen Korrektur Parameter GDOP: Geometry Dilution of Precision GLONASS: Global Orbiting Navigation Satellite System GNSS: Global Navigation Satellite System GPRS: General Packet Radio Service GPS: Global Positioning System GIS: Geomatic Information System HDOP: Horizotal Dilution of Precision IGS: International GNSS Service IP: Internet Protocol IRNSS: Indian Regional Navigation Satellite System MAC: Master Auxiliary Corrections OTF: On the fly P code: Precision code PDOP: Position Dilution of Precision PPK Post - processed Kinematic RTK Real Time Kinematic SA Selective Availability TBC Trimble Bussiness Center TDOP Time Dilution of Precision VDOPVertical Dilution of Precision VLAP Vietnam Land Administration Project VRS Virtual Reference Station WAN Wide area network WGS-84 World Geodetic System 1984 47 - Thiết bị mạng: Đây thiết bị mạng có thiết lập IP tĩnh, có chức thu nhận chuyển liệu từ máy thu GPS trạm xử lý trung tâm - Thiết bị điều khiển: thường sử dụng máy vi tính có cài đặt phần mềm để điều khiển cài đặt thiết bị mạng thu chuyển liệu - Ngoài cịn có số thiết bị khác như: + Thiết bị chống sét (có số CORS có thiết bị chống sét: mạng Ăngten); + Bộ lưu điện: phòng trường hợp điện đột xuất Sơ đồ lắp đặt trạm CORS sau: Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt trạm CORS 2.3.1.4 Lắp đặt trạm xử lý trung tâm Trạm xử lý trung tâm lắp đặt độc lập kết nối với trạm tham chiếu qua hệ thống mạng đặt ln trạm tham chiếu trường hợp trạm CORS có 01 trạm tham chiếu Các thiết bị cần có trạm trung tâm: - Máy tính mạng: chạy phần mềm điều khiển trạm CORS, thu nhận xử lý liệu từ trạm Có thể sử dụng máy mạng cho chức riêng biệt sử dụng 01 máy cho tất tính - Router, Firewall giúp kết nối mạng bảo vệ hệ thống; - Ngồi ra, cịn có số thiết bị khác như: 48 + Thiết bị chống sét cho hệ thống máy mạng; + Bộ lưu điện: phịng trường hợp điện đột xuất Thơng thường, khu vực đo vẽ có diện tích, quy mơ lớn (bán kính khu vực từ 30 km trở lên) thiết kế trạm xử lý trung tâm độc lập với trạm CORS Nếu diện tích, quy mơ khơng lớn (bán kính 30 km) kết hợp trạm xử lý trung tâm với trạm CORS khu đo để tiết kiệm chi phí đường truyền mạng 2.3.2.4 Xác định hệ số chuyển đổi tọa độ khu vực Lựa chọn số điểm ĐCCS (tối thiểu 03 điểm) phân bố xung quanh khu vực đo vẽ để kết nối điểm điểm trạm tham chiếu thành mạng lưới đo GPS tĩnh Tính tốn, bình sai mạng lưới hệ tọa độ WGS-84 sở tọa độ WGS- 84 trạm tham chiếu Căn giá trị tọa độ điểm ĐCCS hệ WGS-84 VN-2000 đế xác định giá trị chuyển đổi tọa độ khu vực từ hệ WGS-84 sang hệ VN2000 Sử dụng hệ số tính chuyển để thiết lập hệ tọa độ cho máy đo động đo đạc khu vực Để kết xác định hệ số xác cần lựa chọn: - Điểm trạm tham chiếu đặt trung tâm khu vực đo vẽ; - Lựa chọn điểm ĐCCS phân bố xung quanh khu vực cần đo vẽ để tính chuyển 2.3.3 Đo vẽ chi tiết 2.3.3.1 Xây dựng lưới khống chế đo vẽ Xây dựng lưới khống chế đo vẽ áp dụng khu vực không đảm bảo yêu cầu đo vẽ chi tiết công nghệ CORS Lưới thiết kế thành cặp điểm thông hướng với cho từ vị trí điểm thực đo đạc chi tiết khu vực cần đo vẽ phương pháp toàn đạc Các điểm khống chế đo vẽ đánh dấu thực địa cọc bê tông, cọc gỗ đinh tán, đảm bảo ổn định suốt thời gian đo vẽ chi tiết kiểm tra cơng trình 49 Trước đo đạc, cần cài đặt độ xác xác định vị trí điểm tương đương lớn độ xác vị trí điểm lưới khống chế đo vẽ phương pháp toàn đạc Hệ tọa độ cài đặt hệ tọa độ áp dụng đo vẽ chi tiết toàn khu vực Khi đo đạc xác định tọa độ điểm, sử dụng đế dọi tâm quang học sào đo có giá chân để đảm bảo độ xác dọi tâm Thời gian đo nên kéo dài để đảm bảo ổn định tín hiệu đo Nên đo 02 lần đo, lấy giá trị trung bình để kiểm tra, đánh giá độ xác xác định tọa độ điểm Có thể thay đổi chiều cao chân máy sào gương để đo kiểm tra, tránh sai sót định tâm máy 2.3.3.2 Đo vẽ chi tiết Quy trình đo vẽ chi tiết cơng nghệ CORS sau: Công tác chuẩn bị Không đủ điều kiện đo CORS Xác định ranh giới đất Đo vẽ chi tiết Xây dựng lưới khống chế đo vẽ Hình 2.21: Sơ đồ quy trình đo vẽ chi tiết công nghệ CORS Trước tiến hành đo vẽ chi tiết, cần chuẩn bị tài liệu, dụng cụ phục vụ thi công Cụ thể: - Các loại đồ, tài liệu phục vụ đo vẽ; - Các máy móc trang thiết bị dùng thi cơng: + Máy đo GPS động kèm thiết bị điều khiển, sào đo dùng đo vẽ chi tiết công nghệ CORS; + Máy toàn đạc điện tử kèm chân máy, gương đo dùng để đo vẽ chi tiết khu vực không đo công nghệ CORS; + Pin, ắc quy kèm sạc dùng cho máy đo GPS, máy đo tồn đạc 50 Máy móc, thiết bị phải kiểm tra, kiểm nghiệm đạt yêu cầu đưa vào thi cơng Trong q trình chuẩn bị, máy GPS động cần cài đặt thông số: - Tên job (dự án); - Cài đặt hệ tọa độ, thơng số tính chuyển tọa độ từ hệ tọa độ WGS-84 sang hệ tọa độ VN-2000; - Cài đặt sai số xác định vị trí điểm chi tiết, quy cách đặt tên điểm, số lần đo lặp … - Địa IP trạm CORS Sau cài đặt xong, cần kiểm tra kỹ thông số để tránh nhầm lẫn Lựa chọn số điểm khống chế có khu đo để đo kiểm tra, đánh giá sai số độ xác đo đạc máy b) Xác định ranh giới đất: Trước tiến hành đo vẽ chi tiết, phải tiến hành điều tra, xác định ranh giới đất thực địa Đánh dấu vị trí góc ranh cọc gỗ cọc bê tơng Đồng thời, đánh dấu vị trí đủ không đủ điều kiện đo công nghệ CORS để có phương án bố trí đo đạc c) Đo vẽ chi tiết khu vực đủ điều kiện đo công nghệ CORS Hàng ngày, trước đo vẽ chi thiết, cần đo kiểm tra vào điểm khống chế tọa độ có khu đo điểm đo chi tiết ngày trước So sánh tọa độ để kiểm tra, loại trừ sai lầm thông số cài đặt máy bị điều chỉnh Trong trình đo vẽ, khu vực đo vẽ thơng thống, thời gian đo ngắn sử dụng sào đo không cần giá chân người đo phải đảm bảo ổn định cho máy suốt thời gian đo Đối với khu vực tín hiệu kém, thời gian đo lâu cần phải đo sào có giá chân để đảm bảo ổn định máy, giảm sai số định tâm Đối với điểm chi tiết khơng thể đo cơng nghệ CORS 51 đo xác định tọa độ điểm trung gian khu vực lân cận dùng phương pháp giao hội, dóng hướng để đo nối vào Nếu khu vực có thực phủ tầm thấp (khoảng 1-3m) sử dụng sào đo dài (khoảng 5-10m) để đo Trong trình đo điểm chi tiết, máy đo báo điểm đo đạt yêu cầu, người đo cần bấm phím xác nhận đợi máy thực xong việc lưu liệu di dời máy Tuyệt đối không di dời máy đo sau bấm phím lưu số liệu để tránh máy thu tính tốn, tổng hợp từ tín hiệu máy đo di dời d) Đo vẽ chi tiết khu vực không đủ điều kiện đo công nghệ CORS Đối với khu vực không đủ điều kiện đo cơng nghệ CORS áp dụng phương pháp đo vẽ chi tiết phương pháp toàn đạc Trước đo vẽ chi tiết, khu vực lân cận khu đo thơng thống thành lập lưới khống chế đo vẽ công nghệ CORS GPS đo tĩnh, tĩnh nhanh Trên sở điểm khống chế đo vẽ tiến hành đo vẽ chi tiết xác định bổ sung thêm điểm trạm đo khác khu vực tương đối rộng e) Trút, biên tập số liệu: Số liệu đo chi tiết theo công nghệ CORS phương pháp toàn đạc chuyển sang máy tính theo phần mềm trút số liệu, biên tập thành số liệu đầu vào phần mềm biên tập đồ địa Đối với phương pháp CORS, phải xem xét giá trị tọa độ điểm đo kiểm tra để tránh thao tác nhầm, chuyển đổi số liệu khơng xác 2.3.4 Đo vẽ cập nhật biến động Quy trình đo vẽ cập nhật biến động công nghệ CORS tương tự quy trình đo vẽ chi tiết (hình 20) a) Cơng tác chuẩn bị: Trước tiến hành đo vẽ cập nhật biến động, cần chuẩn bị tài liệu, 52 dụng cụ phục vụ thi công Cụ thể sau: - Bản đồ địa có khoanh vùng khu vực biến động; - Các hồ sơ, tài liệu liên quan đến khu vực biến động đất đai - Các máy móc trang thiết bị dùng thi công: thực kiểm tra, kiểm nghiệm phương pháp đo vẽ chi tiết thành lập đồ địa b) Xác định ranh giới đất: Căn khu vực biến động khoanh vùng đồ địa chính, tiến hành điều tra, xác định ranh giới đất biến động thực địa Đánh dấu vị trí góc ranh giới có biến động cọc gỗ cọc bê tông Đồng thời, đánh dấu vị trí đủ khơng đủ điều kiện đo cơng nghệ CORS để có phương án bố trí đo đạc c Đo vẽ chi tiết khu vực biến động: Cách thức đo vẽ chi tiết khu vực biến động thực đo vẽ chi tiết thành lập đồ địa Tuy nhiên, cần lưu ý đo đạc bổ sung góc ranh lân cận khơng có biến động để kiểm tra, đánh giá mức độ xác đồ địa thành lập độ xác ca đo Nếu giá trị tọa độ xác định chênh lệch hạn sai cho phép thành lập đồ địa giữ ngun tọa độ góc ranh giới đồ địa Nếu sai số vượt hạn sai cho phép phải kiểm tra lại đồ địa q trình đo đạc cơng nghệ CORS để xác định nguyên nhân sai lệch 53 CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM CORS 3.1 Khái quát quận huyện RTK-CORS - fixed RTK 3.2 - - Trimble R7 GNSS ty Aitogy -blox, Ainav-RTK có hai dịng Ainav-Base Ainav-Rover, hoạt động với chế Base-Rover để vận hành định vị RTK thông qua thiết bị thuphát radio Ainav-Base Ainav-Rover sử dụng máy thu Rover RTK kết nối với trạm tham chiếu thường trực (CORS) thông qua giao thức kết nối 3G 4G để vận hành chế độ đo RTK phạm vi rộng lớn 54 Hình 3.1: Trạm tham chiếu (Leica) tịa nhà tầng trường Đại học Mỏ - Địa Chất Hình 3.2: Thiết bị mạng (có IP tĩnh) 55 Hình 3.3: Máy thu GNSS RTK có tên AiNav-RTK 3.3 3.2.1 : Hình 3.4: Sơ đồ vị trí khu vực thực nghiệm 56 Bảng 3.1: Kết đo nối lưới tọa độ nhà nước STT Tọa độ, Độ cao Số hiệu điểm 4548 x(m) y(m) 2332590.893 581018.697 Sai số vị trí điểm h(m) mx(m) my(m) mh(m) mp(m) 8.104 DHMDC 2331091.381 580178.107 27.915 0.001 0.001 0.004 0.001 GPS-C 2329985.972 581381.351 6.759 0.001 0.001 0.004 0.001 GPS-D 2330690.946 581501.441 8.318 0.001 0.001 0.005 0.001 GPS-O 2330574.866 582444.075 7.232 0.001 0.001 0.004 0.001 THUC 2330440.992 581632.527 7.255 0.001 0.001 0.006 0.001 DC-43 2337324.461 579767.8355 11.0854 3.2.2 -43 K Bảng 3.2: K X(m) Y(m) Md(m fixed ) time(s) 1719 0.026 H(m) Base(m) 4548 2332590.899 581018.683 8.125 DHMDC 2331091.381 580178.107 27.92 GPS-C 2329985.952 581381.357 6.765 1634 0.022 GPS-D 2330690.954 581501.452 8.348 1383 0.033 10 GPS-O 2330574.863 582444.076 7.232 2324 0.003 GPS-E 2330440.994 581632.519 7.267 1593 0.014 DC-43 2337324.461 579767.836 9.685 6247 0.032 30 KIM CHUNG 2337529.735 580644.682 9.038 6455 0.035 200 57 3.2.3 Phân tích đánh giá kết thử nghiệm phương di 3.3.3.1 Sai m 0.040 m(m) 0.035 0.030 0.025 0.020 Sai 0.015 0.010 0.005 0.000 1000 2000 3000 ng ch 4000 5000 6000 7000 n Base (m) Hình 3.5: Đồ thị sai số vị trí điểm q trình thực nghiệm - -5 cm 3.3.3.2 Khoảng cách đo đến thời gian thu lời giải fixed sau: 58 Hình 3.6: Đồ thị khoảng cách thời gian trình thực nghiệm fixed time(s) i gian fixed(s) 250 200 150 100 50 0 1000 2000 3000 ng 4000 5000 6000 7000 ch Base-Rover 3.3.3.3 Base-Rover - 3.4 -CORS Từ kết phân tích thấy s - Đối với cơng tác trắc địa, đồ sử dụng trực tiếp đầu hệ thống để đo vẽ chi tiết đối tượng đồ Trong trường hợp giả sử sai số giới hạn điểm đo chi tiết xác định công thức sau: P=0,2(mm) M (1.8) Trong đó: M mẫu số tỉ lệ đồ Theo công thức (1.8 1:500 - 59 - 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ kết nghiên cứu, rút số kết luận sau: - văn - - Các kết phân tích cho thấy - - - - Cơng nghệ CORS thể tính ưu việt so với phương pháp đo RTK sử d Kiến nghị Từ vấn đề tồn nghiên cứu thử nghiệm, chúng tơi có số kiến nghị sau: 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên Môi trường, Quy định đồ địa Cục Đo đạc Bản đồ Việt Nam (2010), Dự án Hoàn chỉnh hệ quy chiếu quốc gia Đỗ Ngọc Đường (1996), Cơ sở trắc địa vệ tinh, Trường Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội Trần Khánh (2010), Ứng dụng công nghệ trắc địa cơng trình, Nxb Giao thơng vận tải Nguyễn Hạnh Quyên nnk (2011), Nghiên cứu đề xuất ứng dụng cơng nghệ GPS độ xác cao việc xác định độ dịch chuyển công trình xây dựng ven bờ, Viện cơng nghệ vũ trụ, viện Khoa học công nghệ Việt Nam TCVN 9401:2012, Tiêu chuẩn kỹ thuật đo xử lý số liệu GPS trắc địa cơng trình Dương Thành Trung (2017), Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GNSS ứng dụng, Nhà xuất Tài nguyên-Môi trường Bản đồ Việt Nam, tháng 7/2017 Kaplan, E (ed) (1996), Understanding GPS Principles and Applications, Artech House Tuyển tập báo cáo (5/10/2018), Hội nghi khoa học, cơng nghệ tồn quốc ngành Đo đạc Bản đồ, Nhà xuất Tài nguyên-Môi trường Bản đồ Việt Nam, tháng 10/2018./