Khảo sát độ chính xác đo GPS động RTK trong công tác thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1 10000 xã đại đồng huyện thạch thất thành phố hà nội

Kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác của vệ tinh và cả số hiệu chỉnh cho các ñồng hồ trên vệ tinh Sau khi số liệu GPS ñược thu thập, xử lý tọa ñộ và ñộ lệch ñồng hồ của từng vệ t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KIỀU ANH TUẤN

KHẢO SÁT ðỘ CHÍNH XÁC ðO GPS ðỘNG RTK TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ðỒ ðỊA CHÍNH TỶ LỆ 1/1000

XÃ ðẠI ðỒNG HUYỆN THẠCH THẤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ðẤT ðAI

MÃ SỐ: 60.85.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI, NĂM 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào Nội dung ñề tài này

là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học ñược tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện

Tôi xin cam ñoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ

rõ nguồn gốc./

Tác giả luận văn

Kiều Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến:

Ban giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, Khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các Thầy Cô giáo ñã giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường

TS Lê Minh Tá ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện ñề tài

Trung tâm kỹ thuật tài nguyên môi trường Hà Nội ñã tạo ñiều kiện về máy móc ñể tôi có thể hoàn thành quá trình thực nghiệm

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình, bạn bè ñã giúp ñỡ, ñộng viên và ñóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành ñề tài

Tác giả luận văn

Kiều Anh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ðẦU 1

1 Tính cấp thiết của ñề tài 1

2 Mục ñích của ñề tài 2

3 Yêu cầu của ñề tài 2

4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài 2

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Lý thuyết chung về công nghệ GPS 3

1.1.1 Vài nét về lịch sử phát triển 3

1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 5

1.1.3 Các trị ño GPS 9

1.1.4 Nguyên lý ñịnh vị GPS 12

1.1.5 Các nguồn sai số trong ño GPS (ðỗ Ngọc ðường và ðặng Nam Chinh, 2006) 17

1.2 Nguyên lý ño GPS ñộng (ðặng Nam Chinh, 2012) 20

1.2.1 Phân loại công nghệ ño GPS ñộng 20

1.2.2 Giới thiệu kỹ thuật ño GPS ñộng theo phương pháp RTK 23

1.3 Các thiết bị ño GPS ñộng RTK 24

1.3.1 Giới thiệu chung về máy thu GPS 24

1.3.2 Một số loại máy thu sử dụng trong trác ñịa 28

1.3.3 Giới thiệu về máy thu Trimble R4 30

1.3.4 Giới thiệu phần mềm xử lý số liệu 33

1.3.5 Thông số kỹ thuật của máy Leica TS 02 35

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu, triển khai và ứng dụng công nghệ GPS trên Thế giới và ở Việt Nam 36

1.4.1 Trên Thế giới 36

1.4.2 Ở Việt NamẦẦẦ.38

1.5 Bản ựồ ựịa chắnh 40

1.5.1 Khái niệm và phân loại bản ựồ ựịa chắnh 40

1.5.2 Cơ sở toán học 40

1.5.3 Vai trò và tầm quan trọng của bản ựồ ựịa chắnh 46

1.5.4 Nội dung và yêu cầu thành lập bản ựồ ựịa chắnh 47

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 50

2.1 đối tượng nghiên cứu 50

2.2 Phạm vi nghiên cứu 50

2.3 Nội dung nghiên cứu 50

2.3.1 Lựa chọn tần suất ghi tắn hiệu khi ựo GPS ựộng ựể thành lập bản ựồ ựịa chắnh bằng các kết quả ựo thực ựịa 50

2.3.2 đánh giá ảnh hưởng của việc chọn tần suất ghi tắn hiệu ựến ựộ chắnh xác ựo GPS ựộng 50

2.3.3 đề xuất khả năng ứng dụng của công tác ựo GPS ựộng trong công tác thành lập bản ựồ ựịa chắnh 51

2.4 Phương pháp nghiên cứu 51

2.4.1 Phương pháp ựiều tra, khảo sát thu thập số liệu trong phạm vi nghiên cứu 51

2.4.2 Phương pháp kế thừa các tài liệu ựã có và ựo ựạc thực ựịa 51

2.4.3 Phương pháp ựo thực nghiệm 51

2.4.4 Phương pháp thống kê, xử lý số liệu và so sánh, ựánh giá ựộ chắnh xác 52

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 53

3.1 Tình hình chung về xã đại đồng 53

3.1.1 Vị trắ ựịa lý 53

3.1.2 địa hình 53

3.1.3 Khắ hậu thời tiết 54

3.1.4 Thực trạng cơ sở hạ tầng 54

3.1.5 Tình hình quản lý ựất ựai trên ựịa bàn xã 55

3.2 ðo ñạc thực ñịa 58

3.2.1 ðặt vấn ñề 58

3.2.2 Tổ chức ño ñạc và tính toán thực nghiệm 58

3.2.3 Xử lý số liệu ñộng: 65

3.2.3 Các kết quả tính toán thực nghiệm 71

3.2.4 Kết quả ño chi tiết bằng máy toàn ñạc ñiện tử Leica TS-02 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

1 Kết luận 78

2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu HDOP : Horizon Dilution of Precision

Chỉ số phân tản ñộ chính xác mặt bằng PDOP : Position Dilution of Precision

Chỉ số phân tản ñộ chính xác vị trí ñiểm

PPK : Post Procesed Kinematic

ðo GPS ñộng xử lý sau Ratio : Tỉ số phương sai

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

RTK : Real Time Kinematic

X, Y, h : Tọa ñộ X, Y, ðộ cao thủy chuẩn tạm thời

UTM : Universal Transverse Mercator

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Sự ảnh hưởng của các nguốn sai sô ñến kết quả ñịnh vị 20

Bảng 1.2 Một số loại máy thu GPS và thông số kỹ thuật 29

Bảng 3.1: Tọa ñộ và ñộ cao của hai ñiểm lưới tọa ñộ ñịa chính 59

Bảng 3.2: Tọa ñộ và ñộ cao của hai ñiểm ñịa chính cơ sơ 59

Bảng 3.3: Sai số vị trí ñiểm ứng với từng loại tỷ lệ bản ñồ 71

Bảng 3.4 Bảng sai số ñộ cao 71

Bảng 3.5 Bảng thống kê kết quả ño GPS RTK với tần suất ghi tín hiệu 2 giây 71

Bảng 3.6 Bảng thống kê kết quả ño GPS RTK với tần suất ghi tín hiệu 5 giây 72

Bảng 3.7 Bảng thống kê kết quả ño GPS RTK với tần suất ghi tín hiệu 10 giây 72

Bảng 3.8 Bảng thống kê ñộ lệch tọa ñộ giữa các phương án ño GPS RTK 73

Bảng 3.9 Bảng tọa ñộ ño bằng máy Leica TS-02 75

Bảng 3.10 So sánh ñộ lệch giữa 3 phương án ño GPS RTK với máy Leica 76

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS 3

Hình 1.2: Sơ ñồ cấu trúc hệ thống GPS 5

Hình 1.3: Sơ ñồ quỹ ñạo vệ tinh hệ thống GPS 6

Hình 1.4: Cấu trúc vệ tinh GPS thế hệ ñầu Block I 7

Hình 1.5: Cấu trúc vệ tinh GPS thế hệ mới Block IIR-M1 7

Hình 1.6: Các trạm ñiều khiển GPS 8

Hình 1.7 Sơ ñồ truyền tín hiệu của ñoạn ñiều khiển 9

Hình 1.8 : Sơ ñồ cơ chế xác ñịnh thời gian truyền tín hiệu GPS 10

Hình 1.9 Trị ño pha và số nguyên ña trị 12

Hình 1.10 Sơ ñồ ñịnh vị GPS tuyệt ñối 13

Hình 1.11 Sơ ñồ mô tả sai phân bậc một 15

Hình 1.12 Sơ ñồ mô tả sai phân bậc hai 16

Hình 1.13 Máy thu vệ tinh Receiver 4600 LS 24

Hình 1.14 Máy thu vệ tinh Receiver 4800 25

Hình 1.15 Hệ thống Radio Link Trimtalk 900 26

Hình 1.16 Hệ thống Radio Link TDL 450 26

Hình 1.17 Thiết bị ñiều khiển TSC2 27

Hình 1.13 Bình ác quy của Radio Link 28

Hình 1.14 Máy Trimble R4 30

Hình 1.15 Menu file 34

Hình 1.16 ðồ hình khu ño 34

Hình 1.17 Phép chiếu UTM 41

Hình 1.18 Hệ tọa ñộ vuông góc UTM 42

Hình 3.1 Sơ ñồ lắp ñặt trạm Base 62

Hình 3.2 Thiết bị Rover 64

Hình 3.3 Màn hình copy các job vào máy tính 66

Hình 3.4 Màn hình lưu các Job ño ñộng 66

Hình 3.5 Giao diện phần mềm Trimble Business Center 67

Hình 3.6 Cửa sổ tạo Project 68

Hình 3.7 Màn hình nhập dữ liệu 68

Hình 3.8 Cửa sổ hiển thị File 69

Hình 3.9 ðồ hình các ñiểm ño chi tiết 70

Hình 3.10 Màn hình xuất sang file DXF 70

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử dụng vệ tinh nhân tạo ñược Bộ quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm ñầu của thập kỷ 70 Ban ñầu hệ thống này chỉ ñược sử dụng cho mục ñích quân sự nhưng sau ñó ñã ñược thương mại hóa, ñến những năm ñầu của thập kỷ 80 của thế kỷ XX thì nó ñã ñược ứng dụng vào các mục ñích dân sự Ngày nay trong rất nhiều lĩnh vực của ñời sống kinh tế, xã hội ñã và ñang áp dụng công nghệ GPS Trong Trắc ñịa ñã sớm ứng dụng công nghệ GPS với các tính năng ưu việt và ñộ chính xác cao phục vụ cho công tác ño lưới toạ ñộ cấp cao

ðối với ngành Trắc ñịa của Việt Nam thì sau khi ñất nước ñược giải phóng ñến nay cùng với khoa học công nghệ phát triển trên thế giới thì GPS ñã ñược áp dụng vào Việt Nam ñầu tiên là ño các ñiểm toạ ñộ cấp “ 0” sau ñó là ño toạ ñộ các ñiểm lưới cấp cao

Ưu ñiểm của hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là có thể xác ñịnh toạ ñộ một ñiểm bất kỳ trên Trái ñất, có thể xác ñịnh toạ ñộ 1 ñiểm từ ñiểm gốc khác mà không cần thông hướng, ñộ chính xác trong khi ño ñạc ít bị ảnh hưởng của ñiều kiện thời tiết, ño ñạc toạ ñộ các ñiểm với thời gian nhanh chóng và ñộ chính xác cao, có thể

ño cả ban ngày và ban ñêm, kết quả ño ñạc ñược tính trên hệ toạ ñộ toàn cầu

Công nghệ GPS ngày càng phát triển và hoàn thiện hơn với ñộ chính xác ngày càng cao vì vậy ñã ñược hầu hết các nước trên thế giới ñưa vào phục vụ công tác xây dựng lưới từ toàn cầu cho ñến quốc gia, phục vụ cho nghiên cứu hình dáng trái ñất và ñịa ñộng học Giúp hoàn thiện mạng lưới tọa ñộ Quốc gia và khu vực.Ở Việt Nam, công nghệ GPS ñược ứng dụng ñể xây dựng mạng lưới tọa ñộ cấp “0”, mạng lưới cơ sở và mạng lưới cấp thấp phục vụ thành lập bản ñồ, công tác kỹ thuật trên nhiều lĩnh vực khác nhau

Những năm gần ñây, do tiến bộ nhanh về kỹ thuật xử lý số liệu, công nghệ chế tạo thiết bị ngày càng hoàn thiện vì vậy kỹ thuật ño GPS ñộng ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Ở Việt Nam, trong những năm gần ñây công

tác ño GPS ñộng ñã ñược nghiên cứu thực nghiệm ở một số cơ sở sản xuất ðể có ñược những kết luận khoa học về khả năng ứng dụng của công nghệ ño GPS ñộng trong ño vẽ bản ñồ ñịa chính thì công tác khảo sát ñánh giá ñộ chính xác của phương pháp này là công tác rất cấp thiết trong thực tế hiện nay ðược sự giúp ñỡ của thầy giáo TS Lê Minh Tá – Giảng viên khoa Trắc ðịa trường ðại học Mỏ ðịa

chất , chúng tôi ñã tiến hành nghiên cứu và thực hiện ñề tài:

“Khảo sát ñộ chính xác ño GPS ñộng RTK trong công tác thành lập bản

ñồ ñịa chính tỷ lệ 1/1000 xã ðại ðồng huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội”

3 Yêu cầu của ñề tài

- Nắm vững ñược nguyên lý ño GPS ñộng RTK

- Nghiên cứu khảo sát ñộ chính xác ño GPS ñộng RTK ñể thành lập bản ñồ ñịa chính khi ñặt tần suất ghi tín hiệu khác nhau

- Sử dụng thành thạo một số loại máy ño GPS hiện nay và các phần mềm ứng dụng xử lý tính toán khi ứng dụng ño GPS ñộng ñể thành lập bản ñồ ñịa chính

tỷ lệ lớn

4 Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài

ðo GPS ñộng là bước phát triển mới của công nghệ GPS cho phép ño ñạc chi tiết bỏ qua công ñoạn lập lưới khống chế cơ sở, có ñộ chính xác ñạt yêu cầu kỹ thuật ño vẽ bản ñồ ñịa chính, có những tính năng ưu việt so với phương pháp ño vẽ bản ñồ truyền thống

ðo GPS ñộng là phương pháp ño ñạc khoa học, ñáp ứng yêu cầu của công tác tự ñộng hóa ño vẽ bản ñồ, phù hợp với việc tổ chức, quản lý trong các hệ thống quản trị dữ liệu trong máy tính

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lý thuyết chung về công nghệ GPS

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân ñội Hoa Kỳ ñã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn ñường và ñịnh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống ñịnh vị dẫn ñường bằng vệ tinh thế hệ ñầu tiên là hệ thống TRANSIT Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt ñộng theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT ñược sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau ñó TRANSIT bắt ñầu ứng dụng trong trắc ñịa Việc thiết lập mạng lưới ñiểm ñịnh vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT

ðịnh vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà ñộ chính xác chỉ ñạt khoảng 1m Do vậy trong trắc ñịa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Hệ này không thoả mãn ñược các ứng dụng ño ñạc thông dụng như ño ñạc bản ñồ, các công trình dân dụng (ðặng Nam Chinh, 2012)

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống ñịnh vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra ñời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System), ñược gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái ñất theo những quỹ ñạo xác ñịnh ðộ chính xác ñịnh vị bằng hệ thống này ñược nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược ñiểm về thời gian quan trắc ñã ñược khắc phục Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-

2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai ñoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt ñầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm 1978 ñến năm

1985 có 11 vệ tinh Block I ñã ñược phóng lên quỹ ñạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I ñã hết thời hạn sử dụng Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt ñầu ñược phóng vào năm 1989 Sau giai ñoạn này 24 vệ tinh này ñã triển khai trên 6 quỹ ñạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích ñạo trái ñất với chu kỳ gần 12 giờ ở ñộ cao xấp

xỉ 12.600 dặm (20.200km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III ñược thiết kế thay thế những vệ tinh Block II ñược phóng lần ñầu vào năm 1995 Cho ñến nay ñã có 27 vệ tinh của hệ thống GPS ñang hoạt ñộng trên quỹ ñạo (Phạm Hoàng Lân, 1997)

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS ñang hoạt ñộng còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng ñồng Châu Âu

Ở Việt Nam, phương pháp ñịnh vị vệ tinh ñã ñược ứng dụng từ những năm ñầu thập kỷ 90, với 5 máy thu vệ tinh loại Trimble ban ñầu, sau một thời gian ngắn

ñã lập song lưới khống chế ở những vùng ñặc biệt khó khăn mà từ trước tới nay chưa có lưới khống chế Những năm sau ñó công nghệ GPS ñã ñóng vai trò quyết ñịnh trong việc ño lưới cấp ‘‘0’’ lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới ñịa chính cơ sở hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác

1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS

Theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành ba phần gọi

là ‘‘ðoạn’’ (Segment) : ðoạn không gian (Space Segment), ðoạn ñiều khiển (Control Segment), ðoạn người sử dụng (User Segment) (ðặng Nam Chinh, 2012)

Hình 1.2: Sơ ñồ cấu trúc hệ thống GPS

* ðoạn không gian :

Hệ thống ban ñầu có 24 vệ tinh, trong ñó có 3 vệ tinh dự trữ Hiện nay ñã có

31 vệ tinh bay xung quanh Trái ñất ở quỹ ñạo gần tròn, với ñộ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550, chu kỳ 718 phút Nằm trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo, mỗi mặt phẳng quỹ ñạo có 4 hoặc 5 vệ tinh

Hình 1.3: Sơ ñồ quỹ ñạo vệ tinh hệ thống GPS

Chức năng chính của các vệ tinh là:

+ Nhận và lưu trữ dữ liệu ñược gửi lên từ các trạm ñiều khiển

+ Duy trì thời gian chính xác bởi ñồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh

+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2

Từ khi phóng vệ tinh GPS ñầu tiên ñược phóng vào năm 1978, ñến nay ñã có bốn thế hệ vệ tinh khác nhau Thế hệ ñầu tiên là vệ tinh Block I, thế hệ thứ hai là Block II, thế hệ thứ ba là Block IIA và thế hệ gần ñây nhất là Block IIR Thế hệ cuối của vệ tinh Block IIR ñược gọi là Block IIR-M Những vệ tinh thế hệ sau ñược trang bị thiết bị hiện ñại hơn, có ñộ tin cậy cao hơn, thời gian hoạt ñộng lâu hơn Vệ tinh thế hệ ñầu Block I ñược cho trong Hình 1.4 Vệ tinh ñầu tiên của thế hệ mới Block IIR-M1 (mới ñược phóng vào tháng 12 năm 2005) ñược cho trong Hình 1.5

Hình 1.4: Cấu trúc vệ tinh GPS thế hệ ñầu Block I

Hình 1.5: Cấu trúc vệ tinh GPS thế hệ mới Block IIR-M1

* ðoạn ñiều khiển :

ðoạn ñiều khiển ñược thiết lập ñể duy trì hoạt ñộng của toàn bộ hệ thống ñịnh vị GPS ðoạn ñiều khiển là 5 trạm mặt ñất phân bố ñều quanh Trái ñất, trong

ñó gồm 1 trạm ñiều khiển trung tâm (Master Control Monitor Station) ñược ñặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Springs và 4 trạm theo dõi (Monitor Station)

ñặt tại : Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwaalein (Tây Thái Bình Dương) Hình 1.6

Hình 1.6: Các trạm ñiều khiển GPS

Nhiệm vụ của ñoạn ñiều khiển là ñiều khiển toàn bộ hoạt ñộng và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển ñộng quỹ ñạo của vệ tinh cũng như hoạt ñộng của ñồng hồ vệ tinh trên ñó Tất cả các trạm ñều có máy thu GPS, chúng tiến hành ño khoảng cách và sự thay ñổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát ñược và ñồng thời ño các số liệu khí tượng

Tất cả các số liệu ño ñược nhận ở mỗi trạm ñều ñược truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm có nhiệm vụ xử lý các số liệu ñược truyền từ các trạm theo dõi

về cùng với các số liệu ño của chính nó Kết quả xử lý cho ra các Ephemerit chính xác của vệ tinh và cả số hiệu chỉnh cho các ñồng hồ trên vệ tinh

Sau khi số liệu GPS ñược thu thập, xử lý tọa ñộ và ñộ lệch ñồng hồ của từng

vệ tinh ñược tính toán và hiệu chỉnh tọa ñộ tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi và từ ñó truyền xuống máy thu cho người sử dụng

Hình 1.7 Sơ ñồ truyền tín hiệu của ñoạn ñiều khiển

* ðoạn người sử dụng :

ðoạn người sử dụng bao gồm phần cứng và phần mềm:

Phân cứng: Bao gồm các máy thu GPS ñể thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục ñích như dẫn ñường trên biển, trên không và trên ñất liền Nhờ các tiến

bộ trong lĩnh vực ñiện tử, máy thu GPS ngày càng hoàn chỉnh và có nhiều chủng loại khác nhau

Phần mềm: Có nhiệm vụ xử lý số liệu ño, các phần mềm cũng ñược liên tục phát triển, ngày càng hoàn hảo về chức năng và tính tiện dụng

1.1.3 Các trị ño GPS

Trị ño GPS là những tín hiệu mà máy thu GPS nhận ñược từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới dùng cho việc tính tọa ñộ ñiểm ño, bao gồm 2 nhóm : Trị ño Code (Code measurement) và trị ño pha (Phase measurement)

Các trị ño này có thể sử dụng riêng biệt hoắc kết hợp ñể xác ñịnh khoảng cách ñến từng vệ tinh

1.1.3.1 Trị ño Code (C/A Code và P.Code)

Trong trường hợp này, máy thu nhận mã ñược phát ñi từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác ñịnh ñược thời gian tín hiệu lan truyền từ vệ tinh tới máy thu và từ ñó khoảng cách từ máy thu ñến các vệ tinh ñược xác ñịnh bằng công thức :

D = c.t + c ∆t + σ

Trong ñó:

- c là vận tốc lan truyền song (ánh sang) = 299792458 m/s,

- t là thời gian truyền tín hiệu,

- ∆t là lượng hiệu chỉnh do sai số sự không ñồng bộ ñồng hồ máy thu và vệ tinh,

- σ là lượng hiệu chỉnh do môi trường

Việc xác ñịnh theo trị ño Code có thể diễn tả như (Hình 2.6)

Thời gian truyền sóng

Hình 1.8 : Sơ ñồ cơ chế xác ñịnh thời gian truyền tín hiệu GPS

Do chính sách làm giảm ñộ chính xác ñịnh vị của chính phủ Mỹ bằng sự tác ñộng nhiễu SA (Selective Availability) làm sai lệch ñến các tín hiệu vệ tinh nên với trị ño C /A Code, vị trí ñiểm ño có ñộ chính xác 100m Với trị ño P.Code cho ñộ chính xác vị trí ñiểm cỡ 30m với ñộ tin cậy 95% Từ ngày 20/5/2000, chính phủ Mỹ

ñã bỏ tác ñộng SA ñến tín hiệu vệ tinh nên ñộ chính xác ñịnh vị với trị ño có thể ñạt tới 10m Với ñộ chính xác ñịnh vị như trên, các trị ño này sử dụng ñịnh vị trong việc dẫn ñường, ño ñạc những ñối tượng có ñộ chính xác thấp

2.1.3.2 Trị ño pha sóng tải (phase observable)

Sóng tải ñược phát ñi từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không ñổi (L1~19cm, L2~24,4cm) Nếu gọi λlà chiều dài bước sóng thì khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu GPS sẽ là:

D = N λ+ δ (1.1)

Trong ñó:

- N là số nguyên lần bước song, δ là phần lẻ bước song,

- Trị ño pha chính là phần lẻ của bước song bằng cách ño ñộ dip ha giữa song tải thu ñược và song tải do máy thu tạo ra Phần lẻ nảy có thể ño ñược với ñộ chính xác khoảng cỡ 1% vòng pha trước ñường vài mm

Biểu thức xác ñịnh ñộ di pha:

λφ = R + c(δt - σT) - λN + σatm + σ (1.2)

Trong ñó:

R = (Xs – Xr)2 + (Ys – Yr)2 + (Zs – Zr)2

- R là khoảng cách ñúng từ vệ tinh ñến máy thu,

- Xs, Ys, Zs là tọa ñộ không gian 3 chiều của vệ tinh,

- - Xr , Yr , Zr là tọa ñộ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu,

- c là tốc ñộ truyền sóng (tốc ñộ ánh sáng),

- δ t là ñộ lệch ñồng hồ máy thu,

- σT là ñộ lệch ñồng hồ vệ tinh,

- λlà bước sóng của sóng tải,

- N là số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh ñến anten máy thu,

- σatm là sai số do khí quyển,

- σ là tổ hợp các sai số khác

Giải pháp này cho kết quả ñịnh vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị ño Code Khó khăn chính là xác ñịnh số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và

vệ tinh (số nguyên ña trị N) Một khi máy thu bắt ñược tín hiệu của một vệ tinh nào

ñó nó sẽ ñếm số bước sóng trôi qua sau thời ñiểm ñó Do vậy ñiều cần thiết duy nhất là tính ñược số ña trị nguyên ban ñầu

Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị giám ñoạn - sự cố trượt chu kỳ (Cycle slip) xẩy ra, số nguyên ña trị bị thay ñổi, cần phải xác ñịnh lại

Sự trượt chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di ñộng nhanh hoặc tác ñộng mạnh của tầng ion

Sự trượt chu kỳ phải ñược loại trừ ñể xác ñịnh số nguyên lần bước sóng tín hiệu GPS trong biểu thức (1.2)

Vệ tinh

Số nguyên lần bước sóng

Máy thu

Phần lẻ bước sóng ño

Hình 1.9 Trị ño pha và số nguyên ña trị

ðể xác ñịnh số nguyên lần bước sóng có nhiều phương pháp :

1 Phương pháp hình học dựa trên sự thay ñổi hình học vệ tinh trong khi ño

ñể giải số nguyên lần bước sóng ñồng thời với tọa ñộ anten,

2 So sánh (kết hợp) trị ño pha và trị ño code,

3 Trị ño dải rộng (hiệu tần số L1 và L2) cho bước sóng 86,2cm ñể xác ñịnh

số nguyên ña trị nhưng kém chính xác hơn,

4 Sử dụng sai phân bậc 3,

5 Phương phám hàm số Ambiguity và kỹ thuật OTF (On The Fly) xác ñịnh nhanh số ña trị trong khi anten di ñộng ngay sau khi bị mất tín hiệu vệ tinh Phương pháp này ñược áp dụng với máy 2 tần sô

1.1.4 Nguyên lý ñịnh vị GPS

ðịnh vị là việc xác ñịnh vị trí ñiểm cần ño (Vị trí tâm pha của anten) Tùy thuộc vào ñặc ñiểm cụ thể của việc xác ñịnh tọa ñộ người ta chia thành 2 loại hình ñịnh vị cơ bản ñó là : ðịnh vị tuyệt ñối và ñịnh vị tương ñối

1.1.4.1 ðịnh vị tuyệt ñối (Point Positioning)

Là kỹ thuật xác ñịnh tọa ñộ của ñiểm ñặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ tọa ñộ toàn cầu WGS-84 sử dụng nguyên lý ñịnh vị tuyệt ñối Do nhiều nguồn sai

số nên ñộ chính xác vị trí ñiểm thấp (cỡ 10m), chủ yếu cho việc dẫn ñường, và các mục ñích ño ñạc có yêu cầu ñộ chính xác không cao ðối với phương pháp này chỉ

sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh

Khi ñặt máy ở ñiểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu ñến các vệ tinh ñược xác ñịnh và tọa ñộ của ñiểm ño ñược xác ñịnh ðây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết tọa ñộ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng ñến máy thu (Hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ ñồ ñịnh vị GPS tuyệt ñối

Về mặt hình học có thể mô tả sự ñịnh vị tại một thời ñiểm như sau :

- Nếu có 1 vệ tinh thì ñiểm cần ño sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vị trí vệ tinh, có bán kính bằng khoảng cách ño ñược từ vệ tinh ñến máy thu ;

- Nếu có 2 vệ tinh thì ñiểm ño cũng nằm trên mặt cầu thứ 2 có tâm là vệ tinh thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 ñến máy thu Kết hợp trị ño ñến 2

vệ tinh thì vị trí của ñiểm ño sẽ nằm trên giao của 2 mặt cầu trong ñó không gian ñó

là 1 ñường tròn ;

- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của ñiểm ño sẽ là giao của mặt cầu thứ 3 và ñường tròn nêu trên – kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không gian;

- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 nghiệm duy nhất ñó chính là vị trí ñiểm ño trong không gian

Như vậy ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh ñể xác ñịnh tọa ñộ ñiểm ño trong không gian 3 chiều Biểu thức toán học của việc ñịnh vị như sau :

D = (Xs –Xr)2+(Ys-Yr)2+(Zs-Zr)2 + c(δt - σT) + σatm + σ (1.3)

Trong ñó:

- D là khoảng ño ñược từ vệ tinh ñến máy thu,

- Xs, Ys, Zs là tọa ñộ không gian 3 chiều của vệ tinh,

- Xr , Yr , Zr là tọa ñộ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu,

Với 1 vệ tinh có thể thành lập ñược 1 phương trình kiểu (1.3) với 3 ẩn số Xr ,

Yr , Zr là tọa ñộ ñiểm cần ño và ẩn số thứ 4 là ñộ lệch tương ñối ñồng hồ vệ tinh và ñồng hồ máy thu (δt - σT) thì tại mỗi ñiểm ño cần thu tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh khỏe thì tọa ñộ ñiểm ño mới xác ñịnh ñược Khi số vệ tinh thu ñược tín hiệu lớn hơn

4 và số lần thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí ñiểm ño ñược giải theo phương pháp

số bình phương nhỏ nhất

1.1.4.2 ðịnh vị tương ñối (Relative Positioning)

Thực chất của phương pháp ño là xác ñịnh hiệu tọa ñộ không gian của 2 ñiểm ño ñồng thời ñặt trên 2 ñầu của khoảng cách cần ño (Baseline) sử dụng nguyên lý ñịnh vị tương ñối Sự khác biệt của phương pháp ñịnh vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh ñồng thời và kết quả của phương pháp là các thành phần số gia tọa ñộ ∆X, ∆Y, ∆Z (hoặc ∆B, ∆L, ∆H) của 2 ñiểm

trong hệ tọa ñộ không gian ðộ chính xác ñịnh vị tương ñối ñạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong lập lưới khống chế trác ñịa

Việc ñịnh vị tương ñối sử dụng trị ño pha sóng tải ñể ñạt ñược ñộ chính xác cao trong ñịnh vị tương ñối người ta lấy hiệu trị ño trực tiếp ñể tạo thành trị ño mới (các sai phân) ñể loại trừ hoặc giảm bớt các sai số

- Sai phân bậc một

Ký hiệu pha sóng tải ño ñược từ vệ tinh j tại ñiểm r vào thời ñiểm ti là φjr(ti) Khi ñó, nếu xét 2 trạm 1 và 2 thu tín hiệu ñồng thời vệ tinh j vào thời ñiểm ti thì hiệu số :

∆ φ1(ti) = φj2(ti) - φj1(ti) (1.4)

Gọi là sai phân bậc một ñối với vệ tinh j vào thời ñiểm ti

Hình 1.11 Sơ ñồ mô tả sai phân bậc một

Trị ño này loại trừ ñược sai số ñồng hồ vệ tinh bởi giá trị này là như nhau Trị sai phân ñơn có thể là hiệu số trị ño của 1 máy thu với 2 vệ tinh ; trị ño này loại trừ sai số ñồng hồ máy thu

- Sai phân bậc hai

Nếu lấy hiệu số 2 sai phân bậc một (2 trạm thu tín hiệu 2 vệ tinh j, k ñồng thời) :

∆2Φj,k (ti)= ∆1Φk (ti)- ∆1Φj (ti) (1.5)

thì (1.5) gọi là sai phân bậc hai vào thời ñiểm ti ðây là trị ño chuẩn trong ñó GPS tương ñối Với trị ño này sai số vị trí vệ tinh, sai số ñồng hồ máy thu, ñồng hồ vệ tinh ñược loại trừ

Hình 1.12 Sơ ñồ mô tả sai phân bậc hai

- Sai phân bậc ba:

Nếu xét hai trạm tiến hành thu tín hiệu vệ tinh j, k vào thời ñiểm ti và ti+1 thì hiệu sai phân bậc hai:

∆3Φj,k

(ti)= ∆2Φj,k

(t i+1 )- ∆2Φj,k

(t i ) (1.6) Thì (1.6) gọi là sai phân bậc ba Trị ño này không phụ thuộc vào số nguyên lần bước sóng, do vậy ñược trị ño ứng dụng ñể xử lý sự trượt chu kỳ

Việc xử lý các trị ño sai phân cho phép xác ñịnh các giá trị thành phần của véc tơ không gian nối 2 ñiểm ñặt máy thu với ñộ chính xác cao (cỡ cm) Bài toán ñịnh vị này ñược áp dụng trong trác ñịa phục vụ việc ño lưới khống chế và các công tác ño ñạc khác trong hệ thống tọa ñộ ñịa phương bất kỳ

Do bản chất của phương pháp, cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời ñiểm ño Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm ño trong thời gian ño mà người ta chia thành các dạng ño tương ñối sau:

ðo GPS tương ñối tĩnh (Static)

ðây là phương pháp chính xác nhất sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu ñặt cố ñịnh thu tín hiệu GPS tại các ñiểm cần ño tọa ñộ trong cùng một thời ñiểm với khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên, ñộ chính xác cỡ mm

ðo GPS tương ñối ñộng (Kinematic GPS)

Phương pháp này dựa trên nguyên lý ñịnh vị tương ñối, ñược tiến hành với ít nhất là 1 máy ñặt cố ñịnh (Base Station) và một hoặc nhiều các máy khác (Rover Stations) di ñộng trên các ñiểm cần ño với thời gian rất ngắn, ñộ chính xác cỡ cm

1.1.5 Các nguồn sai số trong ño GPS (ðỗ Ngọc ðường và ðặng Nam Chinh, 2006)

Cũng như bất kỳ phương pháp ño ñạc khác, việc ñịnh vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau, sau ñây sẽ xem xét một số loại sai số chủ yếu trong ño GPS

1.1.5.1 Sai số quỹ ñạo vệ tinh

Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất, ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng tới quỹ ñạo của

vệ tinh, khi ñó vệ tinh sẽ không chuyển ñộng hoàn toàn tuân theo ñúng 3 ñịnh luật Kepler Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong ñịnh vị tương ñối hoặc vi phân

ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể căn cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:

- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác ñịnh quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời ñiểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số khoảng vài km

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên 5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trong mạng lưới giám sát và ñược tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m

1.1.5.2 Ảnh hưởng của tầng ion

Tầng ion là lớp chứa các hạt tích ñiện trong bầu khí quyển ở ñộ cao từ 50 ÷

1000km, tầng ion có tính chất khúc xạ ñối với sóng ñiện từ, chiết suất của tầng ion

có tỷ lệ với tần số sóng ñiện từ truyền qua nó Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị ño giải trừ do ñó việc ñịnh vị có ñộ chính xác cao hơn, nhất là ñối với việc

ño cạnh dài

1.1.5.3 Ảnh hưởng của tầng ñối lưu

Tầng ñối lưu có ñộ cao ñến 8km so với mặt ñất là tầng làm khúc xạ ñối với tín hiệu GPS do chiết suất biến ñổi Chiết suất của tầng ñối lưu sinh ra ñộ chậm pha tín hiệu Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải ñược áp dụng ñối với trị ño của máy một tần số và cả máy hai tần số

1.1.5.4 Sai số do ñồng hồ vệ tinh

Sự không ñồng bộ của các ñồng hồ trên vệ tinh, ñồng hồ trong máy thu gây nên loại sai số này ðể làm giảm ảnh hưởng của ñồng hồ vệ tinh và máy thu người

ta sử dụng hiệu các trị ño giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát

1.1.5.5 Sự suy giảm ñộ chính xác (DOP) do ñồ hình các vệ tinh

ðịnh vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào ñiểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng ñến máy thu Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh có sự phân bố hình học cân ñối trên bầu trời xung quanh ñiểm ñó Chỉ số mô tả ñồ hình vệ tinh gọi là chỉ số phân tán ñộ chính xác DOP (Delution Of Precision) Chỉ số DOP là số nghịch ñảo thể tích của khối tứ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu Chỉ số DOP chia ra các loại :

- PDOP : Chỉ số phân tán ñộ chính xác vị trí (Positional DOP),

- TDOP : Chỉ số phân tán ñộ chính xác thời gian (Time DOP),

- HDOP : Chỉ số phân tán ñộ chính xác mặt phẳng (Horizontal DOP),

- VDOP : Chỉ số phân tán ñộ chính xác cao ñộ (Vertical DOP),

- GDOP : Chỉ số phân tán ñộ chính xác hình học (Geometric DOP)

ðồ hình phân bố vệ tinh ñược thiết kế sao cho chỉ số PDOP ñạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian ðồ hình vệ tinh ñạt yêu cầu thông thường với chỉ số PDOP < 6

1.1.5.6 Sai số do người ño

Người ño có thể phạm các sai lầm như: Trong ño chiều cao anten, dọi ñiểm ñịnh tâm không tốt, ñôi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten ðể tránh các sai số này

thì người ño GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao anten

Cần chú ý là sai số do ño chiều cao anten không những ảnh hưởng tới ñộ cao của ñiểm ño mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

Trong khi thu tín hiệu không nên ñứng vây quanh máy thu, không che ô cho máy

1.1.5.7 Tâm pha của anten

Tâm pha là nơi tín hiệu GPS biến ñổi thành tín hiệu trong mạch ñiện Các trị

ño khoảng cách ñược tính vào ñiểm này ðiều này có ý nghĩa quan trọng ñối với công tác trác ñịa Ở nhà máy chế tạo, anten ñã ñược kiểm ñịnh sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó Tuy nhiên tâm pha thay ñổi vị trí phụ thuộc vào ñồ hình vệ tinh Ảnh hưởng này có thể kiểm ñịnh trước khi ño hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai ñoạn tính xử lý Quy ñịnh cần phải tuân theo là khi ñặt anten cần dòng theo cùng một hướng (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cung một loại anten cho cùng một ca ño

1.1.5.8 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle Slip)

ðiểm quan trọng nhất khi ño GPS là phải thu ñược tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh ñó

Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ ñiện tử, nó có thể xuyên qua mây

mù, sóng không thể truyền qua ñược tán cây hoặc các vật che chắn Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng ñặc biệt ñối với công tác ño GPS xây dựng các mạng lưới khống chế tọa ñộ

Khi sử dụng trị ño pha cần phải bảo ñảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác ñịnh số nguyên lần bước sóng khởi ñầu Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián ñoạn thu tín hiệu, trường hợp ñó có một số chu kỳ không xác ñịnh ñã trôi qua mà máy thu không ñếm ñược khiến cho số nguyên lần bước sóng thay ñổi và làm sai kết quả ñịnh vị Do ñó cần phải phát hiện và xác ñịnh sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc

ba ñể nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

Bảng 1.1 Sự ảnh hưởng của các nguốn sai sô ñến kết quả ñịnh vị

Nguồn sai số ðo GPS tuyệt ñối (m) ðo DGPS (m)

1.2 Nguyên lý ño GPS ñộng (ðặng Nam Chinh, 2012)

Công nghệ GPS ñã mang lại hiệu quả to lớn trong công tác ño ñạc với nhiều

kỹ thuật ño GPS khác nhau trên phạm vi toàn thế giới Ở Việt Nam, công nghệ GPS

ñã ñược áp dụng và ñến nay ñã trở thành một công nghệ sản xuất trắc ñịa quan trọng không thể thiếu, ñặc biệt là lĩnh vực lập lưới khống chế Tuy nhiên cho ñến nay với sự phát triển, hoàn thiện về thiết bị ño cung như phần mềm xử lý số liệu cho phép phát triển những ứng dụng mới Một trong những ứng dụng mới có thể áp dụng rộng ở Việt Nam ñó là công nghệ ño GPS ñộng

1.2.1 Phân loại công nghệ ño GPS ñộng

Tùy thuộc vào thời ñiểm xử lý số liệu ño, xử lý ngay tại thực ñịa hay trong phòng sau khi ño, người ta chia thành 2 dạng cơ bản sau :

1.2.1.1 Công nghệ ño GPS ñộng sử dụng trị ño Code (DGPS)

DGPS là phương pháp kiểm tra tín hiệu vệ tinh GPS và cung cấp số cải chính phần sai số cho máy thu GPS (máy ñộng) nhằm nâng cao ñộ chính xác ñịnh vị

Việc cải chính phần sai có thể tiến hành theo hai phương pháp sau ñây :

- Phương pháp cải chính tọa ñộ: Theo phương pháp này số cải chính phần sai

là hiệu số tọa ñộ (hiệu kinh ñộ, vĩ ñộ và ñộ cao trắc ñịa ñã biết và tọa ñộ tính ñược theo trị ño GPS tại trạm Base)

- Phương pháp cải chính cự ly: Số cải chính phần sai là hiệu khoảng cách thật từ vệ tinh tới tâm ñiểm anten của máy thu GPS tại trạm Base và khoảng cách

tính ñược từ các trị ño tại trạm Base tới các vệ tinh Tùy theo thời ñiểm cải chính (cải chính tọa ñộ hoặc cải chính cự ly), có 2 phương pháp ño DGPS như sau:

ðo cải chính phần sai DGPS (Code-base Differential GPS):

Là phương pháp ño GPS sử dụng nguyên lý ñịnh vị tuyệt ñối sử dụng trị ño Code và cả trị ño pha có ñộ chính xác ño tọa ñộ 1÷3m, sử dụng 2 máy thu tín hiệu

vệ tinh trong ñó 1 tại trạm gốc (Base Station) có tọa ñộ biết trước và 1 trạm ño tại các ñiểm cần ño tọa ñộ (Rover Station) Trên cơ sở ñộ lệch về tọa ñộ ño so với tọa

ñộ thực của trạm gốc ñể hiệu chỉnh vào kết quả ño tại các trạm ñộng theo nguyên tắc ñồng ảnh hưởng

Phương pháp DGPS thời gian thực (Real Time DGPS)

Theo phương pháp này, tại trạm Base số cải chính phân sai liên tục ñược tính toán và ñược truyền tới các máy Rover thông qua các thiết bị truyền thông Các máy thu DGPS Rover ñồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tín hiệu cải chính phân sai phát từ trạm Base ñể tính ra tọa ñộ chính xác (ñã ñược cải chính phân sai)

Phương pháp DGPS xử lý sau (Post Processed DGPS)

Về bản chất nguyên tắc xử lý số liệu cũng giống như các phương pháp trên song sự khác nhau cơ bản ở ñây là thời ñiểm xử lý số liệu Với phương pháp này số liệu ño thực ñịa của trạm tĩnh và trạm ñộng ñược ghi lại và kết hợp xử lý trong phòng sau thực ñịa với ñộ chính xác tương ñương Một ưu thế quan trọng của phương pháp này là khá cơ ñộng do không phụ thuộc vào tầm phủ sóng cải chính của trạm gốc Tầm hoạt ñộng của trạm ñộng so với trạm gốc ñến 500km số cải chính vẫn phù hợp, vẫn ñảm bảo ñộ chính xác

Phương pháp MSK-DGPS với các trạm GPS dẫn ñường (Beacon Control GPS Station):

ðể ứng dụng kỹ thuật DGPS trên một khu vực, người ta xây dựng các trạm Reference DGPS cố ñịnh ở các vị trí nhất ñịnh ñể dẫn ñường và cung cấp tín hiệu cải chính phần sai cho bất kỳ máy ñộng nào nằm trong phạm vi phủ sóng ñược thiết kế

Các trạm này ñược gọi là trạm GPS dẫn ñường (Beacon Control GPS Station) Nhiều trạm Beacon Control GPS Station cùng hoạt ñộng dưới sự ñiều khiển chung, ñược gọi là Beacon Control GPS System Cấu hình thiết bị của các

trạm Beacon Control rất linh ñộng và phụ thuộc vào quy mô trạm, quy mô của hệ thống cũng như yêu cầu của ñối tượng phục vụ Tín hiệu cải chính phần sai ñược phát vào không gian qua hệ thống anten phát

Phương pháp DGPS diện rộng

Các trạm Beacon Control thường chỉ có tầm phủ sóng khoảng 1000km ðể có thể hoạt ñộng trên khu vự rộng lớn hơn, người ta áp dụng phương pháp DGPS diện rộng – WADGPS (Wide Area Differenfial GPS) Về nguyên lý phương pháp WADGPS như phương pháp MKS-Beacon DGPS song phương thức truyền tín hiệu cải chính tới các máy thu DGPS là truyền gián tiếp thông qua vệ tinh truyền thông (Communication Satellite) Các máy GPS ñộng nằm trong tầm khống chế của vệ tinh truyền thông ñều nhận ñược tín hiệu cải chính phân sai Mỗi hệ thống WDGPS gồm nhiều trạm Reference, một vài Trung tâm kiểm tra và khoảng 3-4 vệ tinh truyền thông Hiện nay, có các hệ thống chính sau:

500-Các hãng của tư nhân :

Hệ thống Omnistar và Starfix của hãng Fugro,

Hệ thống Skyfix của hãng Racal

Các hãng của Nhà nước :

Hệ thống WAAS của Mỹ,

Hệ thống MSAT của Nhật,

Hệ thống EGNOS của Châu Âu

1.2.1.2 Công nghệ GPS ñộng sử dụng trị ño pha

Phương pháp ño GPS ñộng tức thời (GPS RTK-Real Time Kinematic GPS): Phương pháp cho phép thu ñược tọa ñộ ñúng tại thực ñịa trong hệ tọa ñộ ñịa phương bất kỳ với thời gian ño ngắn (1 trị ño/1 giây)

Phương pháp ño GPS ñộng xử lý sau (GPS PPK – Post Procesed Kinematic GPS): Giống như phương pháp GPS RTK, phương pháp này ño một loạt ñiểm với thời gian ño ngắn 2 (trị ño) Tọa ñộ của các ñiểm ño có ñược sau khi xử lý số liệu trong phòng

1.2.2 Giới thiệu kỹ thuật ño GPS ñộng theo phương pháp RTK

Ra ñời từ những năm 1985 song cho ñến những năm 1990 mới ñược áp dụng rộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTF Ở nước Mỹ kỹ thuật ño ñộng ñược triển khai thực nghiệm từ năm 1997 Phương pháp ño ñộng dựa trên nguyên lý ñịnh vị tương ñối

Kết quả của ñịnh vị ñộng là xác ñịnh ñược các ñiểm trên ñường ñi của máy thu di ñộng so với máy thu cố ñịnh Trạm máy cố ñịnh ñược gọi là trạm tham khảo (reference) hay còn gọi là trạm BASE Máy thu ñặt tại trạm này phải ñảm bảo ñặt

cố ñịnh trong suốt thời gian ño ñộng Máy thu di ñộng gọi là trạm ROVER, ñược di ñộng trên các ñiểm ño cần xác ñịnh tọa ñộ.Trong thời gian ño cả hai máy phải ñảm bảo thu ñược tín hiệu liên tục ít nhất 4 vệ tinh chung ðịnh vị ñộng có thể sử dụng ñối với trị ño khoảng cách giả hoặc trị ño pha sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong trường hợp việc sử dụng pha sóng tải có ñộ chính xác cao hơn

Khoảng cách từ trạm BASE tới trạm ROVER không ñược quá xa, thời gian dừng máy tại ñiểm ño thường chỉ cần kéo dài vài giây Thời gian này phụ thuộc vào chế ñộ mà người sử dụng cài ñặt Một thiết bị khác ñi cùng với chế ñộ ño ñộng là bộ ñiều khiển ño ( Suvey Controller)

Phương pháp ño ñộng thời gian thực (RTK) cho phép xác ñịnh vị trí của nhiều ñiểm so với ñiểm ñã biết (ñiểm gốc) Theo phương pháp này cần ít nhất hai máy thu, một máy thu ñặt cố ñịnh tại ñiểm ñã biết tọa ñộ gọi là trạm Base (trạm tĩnh) liên tục thu tín hiệu vệ tinh, có cáp kết nối với một Radio Link chuyên dụng ñể phát tín hiệu cho các máy Rover (phát số cải chính phân sai) Một hoặc nhiều máy vừa di chuyển vừa thu tín hiệu vệ tinh và thu số cải chính phân sai phát từ Radio gọi

là trạm Rover (máy ñộng), trạm Rover gọi là các trạm cần xác ñịnh tọa ñộ Yêu cầu nhất thiết của phương pháp là cả hai trạm tĩnh và trạm ñộng phải ñồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất bốn vệ tinh trong suốt thời gian ño Do vậy trước khi ño phải lập lịch ño và lựa chọn khu ño cho phù hợp với yêu cầu kỹ thuật ñặt ra

1.3 Các thiết bị ño GPS ñộng RTK

1.3.1 Giới thiệu chung về máy thu GPS

ðể ñịnh vị GPS phải có máy thu GPS, có nhiều máy thu GPS ñược nhiều hãng trên thế giới chế tạo và ñưa ra thị trường Mỗi loại máy thu ñược thiết kế theo yêu cầu ñịnh vị ñặc thù, như sử dụng trong quân sự hay sử dụng cho dân sự, ñịnh vị dẫn ñường hay ño ñạc… Mặc dù hình dạng kích thước và tính năng của chúng khác nhau nhưng các máy thu GPS lại có cấu tạo tương tự nhau

Các thiết bị ño GPS ñộng gồm có:

Máy thu tín hiệu vệ tinh

Máy thu phục vụ cho ño GPS ñộng là thiết bị thu tín hiệu vệ tinh phục vụ cho ño tĩnh thông thường nhưng ñược thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển, ño ñạc ngoài thực ñịa Ngoài chức năng là máy thu vệ tinh, có Anten trong,

bộ nhớ trong, máy thu loại này còn có các cổng kết nối với thiết bị ngoại vi như thiết bị ñiều khiển (Survey Controller), hệ thống Radio Link truyền số liệu Hiện nay trên thị trường có các loại máy thu phù hợp cho phương pháp ño GPS ñộng là các kiểu máy thu chuyên dụng sau:

 Receiver 4600 LS (Máy thu vệ tinh 1 tần số L1)

Hình 1.13 Máy thu vệ tinh Receiver 4600 LS

 Receiver 4700 (Máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2)

 Receiver 4800 (Máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2)

Hình 1.14 Máy thu vệ tinh Receiver 4800

 Receiver 5700 (Máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2)

Hệ thống Radio Link truyền số hiệu

ðể thực hiện việc ño GPS RTK thu ñược tọa ñộ tại thực ñịa cần có thiết bị truyền liên tục số liệu thu vệ tinh từ trạm cố tĩnh ñến trạm ñộng ñộng Công việc này ñược tiến hành nhờ hệ thống Radio Link bao gồm:

Radio phát số liệu: Là thiết bị phát truyền số liệu ñược nối với máy thu vệ tinh trạm tĩnh bằng cáp mềm truyền số liệu và phát số liệu thu vệ tinh tại trạm tĩnh ñến thiết bị thu vệ tinh tại trạm ñộng

Radio thu số liệu: Có nhiệm vụ nhận số liệu truyền từ trạm phát và truyền vào thiết bị xử lý số liệu tại trạm ñộng tại thực ñịa

Thiết bị ñồng bộ của bộ ño RTK gồm các máy thu phát Radio Link:

- Trimtalk 450

- Trimtalk 450S

- Trimtalk 900 (Hình 1.15)

Hình 1.15 Hệ thống Radio Link Trimtalk 900

- TDL 450 (Hình 1.16)

Hình 1.16 Hệ thống Radio Link TDL 450

số liệu Radio Link

Hình 1.17 Thiết bị ñiều khiển TSC2

Bộ nguồn

Bộ nguồn của máy thu thường là pin hoặc các ac quy sạc ñiện Dòng ñiện sử dụng cho máy thu là dòng một chiều có ñiện áp từ 6V ñến 20V

Hình 1.13 Bình ác quy của Radio Link

1.3.2 Một số loại máy thu sử dụng trong trác ñịa

Trên thế giới ñã có nhiều hãng chế tạo máy thu GPS sử dụng trong trác ñịa như hãng Trimble Navigation, Ashtech (Mỹ), hãng Minimax (CHLB ðức), hãng Sersel (Pháp), hãng Laica (Thụy Sĩ), Topcon, sokkia (Nhật Bản), Nam Phương, CHC (Trung Quốc)

Bảng 1.2 Một số loại máy thu GPS và thông số kỹ thuật

Loại máy Hãng, nước chế

tạo Tần số Phương pháp ño ðộ chính xác

STEP-1 ASHTECH (MỸ) L1 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

5mm + 1ppm 10mm + 2ppm

Z-12 ASHTECH (MỸ) L1, L2 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

5mm + 1ppm 10mm + 1ppm

4600LS TRIMBLE (MỸ) L1 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

5mm + 1ppm 20mm + 2ppm

4800 TRIMBLE (MỸ) L1, L2 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

5mm + 1ppm 10mm + 2ppm

GP-1000 Topcon (Nhật) L1, L2 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

3mm + 1ppm 10mm + 1ppm

R-3 TRIMBLE (MỸ) L1 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

5mm + 1ppm 20mm + 2ppm

R-4 TRIMBLE (MỸ) L1, L2 Tĩnh, tĩnh nhanh

ño ñộng

3mm + 1ppm 8

mm + 1ppm

1.3.3 Giới thiệu về máy thu Trimble R4

Trimble R4 GPS System với phần mềm Trimble Survey Controller là giải pháp ño GPS ñơn giản, ñáng tin cậy cho những người làm công tác ño ñạc GPS trong những ñiều kiện nghiêm ngặt nhất (Hình 1.14)

Với trên 25 năm kinh nghiệm trong công nghệ GNSS, các giải pháp ño ñạc Trimble GNSS luôn ñược những người ño ñạc ñánh giá cao với những ưu ñiểm: ðộ chính xác và ổn ñịnh cao và với thiết kế khoa học ñáng tin cậy

Hình 1.14 Máy Trimble R4

Tính khoa học, nhẹ, kết nối không dây Trimble R4 GPS với phần mềm Trimble Survey Controller chạy trên thiết bị ñiều khiển cầm tay Trimble TSC 2 mang ñến cho người sử dụng một hệ thống máy GPS tích hợp hoàn chỉnh và dễ sử dụng ðược thiết kế và sản xuất với công nghệ GPS của Trimble, R4 RTK System

là kiểu máy GPS 2 tần số L1 và L2 với tùy chọn nâng cấp thu tín hiệu GLONASS

Angten 2 tần số với ñộ ổn ñịnh tâm pha dưới mm tích hợp trong máy, cho phép thu tín hiệu với ñộ chính xác cao Pin sạc trong có thể tháo lắp, có dung lượng 11h ño liên tục/1 lần sạc

R4 với phần mềm Trimble Survey Controller tương thích hoàn toàn với công nghệ các trạm tham chiếu ảo Trimble VRS do ñó nó có thể ñược sử dụng như một máy Rover ño real – time trong mạng VRS Với một radio trong 450MHz hoặc

modem ñiện thoại di ñộng ngoài Trimble R4 sẽ ñáp ứng ñược mọi yêu cầu về ño real time: VRS rover hoặc RTK rover Khi ñược sử dụng làm trạm Base Trimble R4 với Radio phát UHF tích hợp bên trong máy có khả năng làm trạm Base cho giải pháp ño RTK thông thường liên kết số liệu bằng Radio

ðược thiết kế ñể mang những kinh nghiệm của Trimble tới ñược với nhiều người ño ñạc hơn nữa, R4 và Trimble Surver Controller sẽ rút ngắn thời gian ñào tạo và ñơn giản hóa việc ño ñạc thực ñịa

Các thông số kỹ thuật của máy:

Sử dụng công nghệ Trimble R-Track

Sử dụng chíp Trimble maxwell 5 Custom Surver GNSS với 72 kênh

Phép ño giả ngẫu nhiên GNSS bội số tương quan ñộ chính xác cao

Thực hiện phép ño với dữ liệu có ñộ nhiễu thấp, giảm thiểu các nhiễu tín hiệu vệ tinh

Phép ño pha sóng mạng GNSS với nhiễu cực thấp với ñộ chính xác < 1mm ở tần suất thu 1Hz

Chỉ số tín hiệu trên nhiễu tính ñược bằng dB-Hz

Thực hiện các phép ñịnh vị với góc ngưỡng vệ tinh thấp

Thu tín hiệu vệ tinh ñồng thời từ:

ðo tĩnh GNSS

ðo tĩnh ñộ chính xác cao

Mặt phẳng 3 mm + 0.5 ppm RMS

ðộ cao 3.5 mm + 0.4 ppm RMS