Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS

MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): I.1.2 Phần không gian (Space Segment): I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS I.1.3 Phần sử dụng (User Segment): I.1.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng I.1.3.2 Những phận máy thu GPS I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS I.3.1 Phép định vị tĩnh định vị động I.3.2 Phép định vị tương đối I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu I.3.4 Phép định vị động tương đối I.3.5 Cấu hình hình học GPS độ xác I.3.6 Độ suy giảm xác I.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS I.4.1 Sai số đồng hồ I.4.2 Sai số quĩ đạo vệ tinh I.4.3 Sai số tầng điện ly tầng đối lưu I.4.4 Sai số nhiễu tín hiệu: I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.5.1 Các ứng dụng trắc địa đồ mặt đất I.5.2 Các ứng dụng giao thông thông tin mặt đất I.5.3 Các ứng dụng trắc địa đồ biển: I.5.4 Các ứng dụng giao thông hải dương học biển I.5.5 Các ứng dụng trắc địa đồ hàng không I.5.6 Ứng dụng giao thông hàng không I.5.7 Các ứng dụng thám hiểm không gian I.5.8 Các ứng dụng việc nghỉ ngơi giải trí I.5.9 Các ứng dụng quân đội I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY I.6.1 Nâng cao độ xác đo tĩnh thông qua biện pháp hạn chế sai số đo: I.6.2 Nâng cao độ xác tính toán nhờ thuật toán mới: I.6.3 Nâng cao khả công nghệ GPS: CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO 21 VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS II.3 ĐO GPS II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES) II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) / 41 II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA 34 (Theo công nghệ GPS hãng Trimble Navigation) 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 41 -2- MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đưa vào sản xuất Việt Nam từ năm 1991 Trên sở sử dụng máy thu GPS hãng TRIMBLE loại tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ thuộc Cục Đo đạc đồ Nhà nước lúc gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước khu vực khó khăn đất nước, mà công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) khả thực hiện, phí lớn thời gian dài thực Trong năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ Cục Đo đạc đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng thành công mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II khu vực Minh Hải, Sông Bé Tây Nguyên, đồng thời xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối đảo quần đảo xa ( kể Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước đất liền Từ đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS có bước phát triển lớn Từ chỗ có máy thu GPS tần số hãng TRIMBLE, đến Việt Nam có 82 máy thu GPS loại hãng khác nhau, từ máy thu đặt máy bay, máy thu tần số, máy đo động đến máy có độ xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng mạng lưới toạ độ nhà nước, độ xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng dẫn đường xác định toạ độ tâm ảnh bay chụp ảnh máy bay; xây dựng mạng lưới toạ độ, độ cao địa cấp 1; dẫn đường xác định toạ độ đo vẽ đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao mốc quốc giới; xây dựng mạng lưới công trình v.v Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai trị đo GPS đa dạng, chủ yếu phần mềm kèm theo máy thu, TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v phần mềm bình sai lưới GPS Liên hiệp KHSX Trắc địa đồ xây dựng Qua kết nghiên cứu trực tiếp tham gia đo xử lý, tính toán kết đo GPS biên soạn tập tài liệu để đồng nghiệp tham khảo Tập tài liệu gồm chương sau đây: Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo xử lý tính toán bình sai kết đo GPS Chương 3: Quy trình công nghệ đo xử lý tính toán bình sai kết đo GPS để thành lập mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS Hãng Trimble Navigation) -3- CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ thống GPS hệ thống định vị vệ tinh sau hệ thống DOPPLER GPS từ viết tắt GLOBAL POSITIONING SYSTEM Hệ thống bắt đầu nghiên cứu từ năm 70 quân đội Mỹ chủ trì Trong năm đầu thập kỷ 80 quân đội Mỹ thức cho phép dùng dân Từ nhà khoa học nhiều nước phát triển lao vào chạy đua để đạt thành cao lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu cho kết hai hướng chủ đạo chế tạo máy thu tín hiệu thiết lập phần mềm để chế biến tín hiệu cho mục đích khác Cho tới năm 1988, máy thu GPS 10 hãng giới sản xuất đạt trình độ cạnh tranh thị trường Vì lý trên, giá máy giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Mười hãng giới sản xuất máy thu GPS bao gồm hãng như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức) Theo dư luận thị trường máy thu hãng TRIMBLE NAVIGATION đánh giá cao Về phương diện phần mềm hệ thống GPS, thấy tính đa dạng Trị đo thu có loại, tín hiệu vệ tinh phát Chế biến tín hiệu phương pháp khác nhau, thuật toán khác có tham số hình học vật lý khác trái đất Chúng ta nói khả phần mềm vô tận Với tín hiệu thu tính tọa độ không gian tuyệt đối (với độ xác 10 m tới m sử dụng lịch vệ tinh xác), số gia tọa độ không gian (độ xác từ cm tới cm), số gia tọa độ địa lý (độ xác từ 0.7 đến cm), số gia độ cao (độ xác từ 0.4 cm đến cm), số gia trọng lực (độ xác 0.2 mgl) Ngoài có tham số khác nghiên cứu Toàn phần cứng hệ thống GPS có tên đầy đủ NAVSTAR GPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING Phần cứng gồm phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) phần sử dụng (User Segment) I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm trạm mặt đất có trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein Hawaii; trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station) Lưới trắc địa đặt trạm -4- xác định phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ vệ tinh theo số liệu trạm theo dõi thu từ vệ tinh Sau tính toán số liệu gửi từ trạm trung tâm tới trạm hiệu chỉnh số liệu từ gửi tiếp tới vệ tinh Như vòng vệ tinh có số liệu hiệu chỉnh để phát cho máy thu I.1.2 Phần không gian (Space Segment): I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay quỹ đạo có độ cao đồng 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo góc 55 o Việc bố trí nhằm mục đích để thời điểm vị trí trái đất quan sát vệ tinh Mỗi vệ tinh phát tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz L2=1227.60 MHz Loại sóng phát sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm số Mã gọi tên mã P (Precise) Bên cạnh mã P sóng mang mã C/A (Clear/Acquisition) sóng L1 Mã C/A phát với tần số 10.23 MHz 1.023 MHz Ngoài mã vệ tinh phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa thông tin lịch vệ tinh Các vệ tinh trang bị đồng hồ nguyên tử với độ xác cao Các vệ tinh NAVSTAR có trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy) Hai trạng thái vệ tinh định trạm điều khiển mặt đất Chúng ta sử dụng tín hiệu vệ tinh hai trạng thái "hoạt động khỏe" "hoạt động không khỏe" I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh truyền hai tần số dùng cho công việc định vị tần số 1575,42 MHz tần số 1227,60 NHz Hai sóng mang gọi L1 L2, mạch lạc điều chế tín hiệu khác Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ biết tên mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm chuỗi số cộng trừ một, phát tần số fo/10= 1.023 MHz Chuỗi lặp lại sau mili giây đồng hồ Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, biết tên mã P (Precise - code), bao gồm chuỗi số cộng trừ khác, phát tần số fo = 10,23 MHz Chuỗi lặp lại sau 267 ngày Thời gian 267 ngày cắt làm 38 đoạn ngày Trong 38 đoạn có đoạn không dùng đến, đoạn dùng cho trạm mặt đất , theo dõi tàu thuyền sử dụng, gọi trạm giả vệ tinh (Pseudolite), lại 32 đoạn ngày dành cho vệ tinh khác Mã Y (Y-code) mã PRN tương tự mã P, dùng thay -5- cho mã P Tuy nhiên phương trình tạo mã P công bố rộng rãi không giữ bí mật, phương trình tạo mã Y giữ bí mật Vì vậy, mã Y sử dụng người sử dụng GPS giấy phép (nói chung người không thuộc quân đội Mỹ đồng minh họ) không thu mã P (hoặc mã Y) Sóng mang L1 điều chế mã ( Mã-C/A Mã`-P mã Y), sóng mang L2 bao gồm Mã-P mã Y Các mã điều chế sóng mang cách giản đơn có ý thức Nếu mã có trị số -1 phase sóng mang đổi 180 0, mã số có trị số +1 phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi Cả hai sóng mang mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dạng dòng liệu thiết kế tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng vị trí vệ tinh Các liệu máy thu giải mã dùng vào việc xác định vị trí máy theo thời gian thực I.1.3 Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm máy thu tín hiệu từ vệ tinh đất liền, máy bay tàu thủy Các máy thu phân làm loại: máy thu tần số máy thu tần số Máy thu tần số nhận mã phát với sóng mang L1 Các máy thu tần số nhận sóng mang L1 L2 Các máy thu tần số phát huy tác dụng đo tọa độ tuyệt độ xác 10 m tọa độ tương độ xác từ đến cm khoảng cách nhỏ 50 km Với khoảng cách lớn 50 km độ xác giảm đáng kể (độ xác cỡ dm) Để đo khoảng cách dài đến vài nghìn km phải sử dụng máy tần số để khử ảnh hưởng tầng ion khí trái đất Toàn phần cứng GPS hoạt động hệ thống tọa độ WGS-84 với kích thước elipsoid a=6378137.0 m α=1:29825722 I.1.3.1 Các phận thiết bị GPS phần sử dụng Phần sử dụng GPS coi gồm phận chính: * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , dao động tần số vô tuyến RF (Radio Friquency), ăngten thiết bị ngoại vi cần thiết để hoạt động máy thu Đặc điểm yếu phận tính chắn, xách tay, tin cậy làm việc trời dễ thao tác -6- Phần mền bao gồm chương trình tính dùng để xử lý liệu cụ thể, chuyển đổi thông báo GPS thành thông tin định vị dẫn đường hữu ích Những chương trình cho phép người sử dụng tác động cần để lợi dụng ưu điểm nhiều đặc tính định vị GPS Những chương trình sử dụng điều kiện ngoại nghiệp thiết kế cho cung cấp thông báo hữu ích trạng thái tiến hệ thống tới người điều hành Ngoài phần mềm bao gồm chương trình phát triển tính độc lập máy thu GPS , đánh giá nhân tố tính sẵn sàng vệ tinh mức độ tin cậy độ xác Phần triển khai công nghệ hướng tới lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích mô hình hoá hiệu ứng ăngten khác nhau, hiệu ứng truyền sóng phối hợp chúng phần mềm xử lý số liệu, phát triển hệ thống liên kết truyền thông cách tin cậy cho hoạt động định vị GPS cự ly dài ngắn khác theo dõi xu phát triển lĩnh vực giá hiệu suất thiết bị I.1.3.2 Những phận máy thu GPS Các phận máy thu GPS bao gồm: * Ăngten tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu điều khiển thể * Thiết bị ghi chép * Nguồn lượng Ăngten tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng , không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống đĩa ăngten vệ tinh Các ăngten tương đối chắn đặt ba chân lắp phương tiện giao thông, vi trí thực xác định trung tâm Phase ăngten, sau truyền lên mốc trắc địa Phần tần số vô tuyến : Bao gồm vi mạch điện tử xử lí tín hiệu kết hợp số hóa giải tích Mỗi kiểu máy thu khác dùng kỹ thuật xử lí tín hiệu khác đôi chút, phương pháp : * Tương quan mã * Phase tần số mã * Cầu phương tín hiệu sóng mang -7- Phần tần số vô tuyến bao gồm kênh sử dụng ba phương pháp nói để truy cập tín hiệu GPS nhận được, số lượng kênh biến đổi khoảng từ đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào vi xử lí Kíck thước kiểu dáng điều khiển loại máy thu khác khác Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ đĩa mềm để ghi trị số quan trắc thông tin hữu ích khác tách từ tin hiệu thu Nguồn lượng : Phần lớn máy thu dùng nguồn điện chiều điện áp thấp, có vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: Như biết nguyên lý hoạt động hệ thống DOPPLER, nguyên lý thay đổi tần số tín hiệu nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật mô tả công thức: C t + C ∆t = (x s − x p ) + (y s − y p ) + (z s − z p ) (1) đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất; c - Tọa độ sóng; t - Thời gian sóng từ vệ tinh tới máy thu ∆t - Số hiệu chỉnh thời gian Tập hợp phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có ẩn số t, xp yp zp xs ys zs biết từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t xác định theo đồng hồ vệ tinh máy thu theo mã C/A, c số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật xác định tọa độ với độ xác 10 m Nếu kết gửi tới trạm điều khiển trung tâm, có tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ xác m Sở dĩ độ xác tăng lên đáng kể máy thu thu lịch vệ tinh dự báo, trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh xác Qua thấy tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất xác định có độ xác phương pháp DOPPLER Sở dĩ vệ tinh hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt độ xác 10 m hệ thống GPS dùng để đáp ứng mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho đối tượng chuyển động tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS -8- Ngược lại với độ xác tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đạt thành tựu đáng kể việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối xác định pha sóng mang L1 (với máy thu tần số) hay L1 L2 (với máy thu tần số) Chúng ta có công thức: S = Nλ + ϕλ (2) Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; ϕ: Pha sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu Từ công thức (2) có: ϕ = (f/c).S - N (3) Xét công thức (3) từ phía khác viết: ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Nsp (4) φs(ts ) - Pha sóng thời điểm ts vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; φp(t) - Pha sóng thời điểm t máy thu nhận tín hiệu; Nsp - Số nguyên lần bước sóng Từ công thức ta suy ra: ϕ(t) = φs(t) - (f/c).Ssp - φp(t) + Nsp (5) Kết hợp thành phần vế phải công thức (5) biểu diễn dạng: ϕ(t) = - (f/c).Ssp - αp(t) + βs(t) + γsp (6) Trong đó: αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) máy thu gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) γsp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh máy thu gây không phụ thuộc thời gian (chủ yếu φs(to) - φp(to) + Nsp , t o thời điểm bắt đầu đo) Công thức (6) công thức để lập phương trình đo kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng phải tổ hợp trị đo cho khử thành phần hệ thống p(t), s(t) p -9- I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS I.3.1 Phép định vị tĩnh định vị động Hệ GPS dùng để định vị vật thể tĩnh vật thể chuyển động Mặc dù trị quan trắc nhau, thực tế ăngten tĩnh động khác nên dãn đến khác lớn Nếu ăngten cố định quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh khác nhau, việc làm cho phép ta có trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo nhận độ xác cao vị trí xác định Khi ăngten chuyển động nhận định (Fix) tức thời, (thông thường từ cự ly quan trắc đồng thời gần đồng thời) số đo dư thừa Trong trường hơp định vị tĩnh, nhận kết theo thời gian thực, môĩ trị quan trắc sử lý cho cải thiện trị toạ độ vị trí xác định trước đó, trị quan trắc xử lý sau kết thúc công tác trời.Chúng ta gọi nghiệm xử lý sau (postprocessed solution) Trong phép định vị động, thường người ta tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nghiệm bao gồm vị trí ( Fix ) thời điểm Một chuỗi kết định ( lộ trình rời rạc phương tiện lưu thông ) xử lý cách sử dụng số thủ thuật tiếp cận đường cong trơn I.3.2 Phép định vị tương đối Khi đòi hỏi trị đo có độ xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối Trong kiểu đo này, hai ăngten hai máy thu tương ứng đặt hai đầu cạnh cần quan trắc phải làm việc đồng thời Sở dĩ đạt độ xác cao kiểu đo số sai số tích luỹ cự ly quan trắc thường đồng với tối thiểu tương tự hai đầu đường đáy Các sai số loại trừ giảm cách đáng kể xác định trị số định vị tương đối Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần Ben Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, kiểu định vị tương đối dạng bán động (relative semi kinematic positioning) Ý tưởng kiểu đo sử dụng máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh Nếu không xuất trị số trượt chu kỳ máy thu liên tục đảm bảo độ xác tốt chu kỳ (20 cm) tín hiệu phase phách sóng mang trị số định vị tương đối máy thu tĩnh máy thu lang thang Kiến nghị có hai ngụ ý: - 10 - Để giải hệ thống (8) sử dụng phương pháp sai phân Nội dung phương pháp tìm ma trận D trực giao với ma trận A nhân vế (8) với D Chúng ta có: DV = DA 1x1 - DL (11) hay V = A1x1 - L (12) Trong V = DV, A = DA 1, L=DL L (8) trị đo có độ xác hệ (9) có phương trình chuẩn: (A1TDT (DD T)-1DA1)X1 = (ATDT(DDT)-1D)L (13) Ma trận D gọi ma trận sai phân yêu cầu phải có dạng đầy (để ma trận DDT có dạng ngược) Vấn đề đặt phải xác định ma trận sai phân D Việc giải lưu ý tới trị đo từ nhiều điểm mặt đất tới vệ tinh nhiều thời điểm khác Theo hướng phân loại toán tử sai phân: Toán tử ∇ - hiệu trị đo vệ tinh trạm mặt đất, toán tử loại trừ ảnh hưởng hệ thống trạm đo αp(t) Toán tử ∆ - hiệu trị đo trạm mặt đất vệ tinh, toán tử loại trừ ảnh hưởng hệ thống vệ tinh βs(t) Toán tử δ - hiệu trị đo thời điểm liền vệ tinh trạm mặt đất, toán tử loại trừ ảnh hưởng hệ thống số γsp Các toán tử sai phân gọi sai phân bậc (single difference) Tích loại toán tử sai phân bậc có toán tử sai phân bậc (double difference) ∇∆ ∆∇ loại từ ảnh hưởng αp(t) βs(t) δ∇ ∇δ loại từ ảnh hưởng αp(t) γs(t) δ∇ ∇δ loại trừ ảnh hưởng βs(t) γs(t) tích hỗn hợp loại toán tử sai phân bậc ta có toán tử sai phân bậc (triple difference) Các toán tử có dạng δ∆∇, ∆δ∇, δ∇∆, ∇δ∆, ∆∇δ, ∇∆δ loại trừ ảnh hưởng hệ thống αp(t), βs(t) γ II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) Theo nguyên lý trình bày đây, có nhiều phần mềm xây dựng để xử lý số liệu đo GPS Hầu hết phần mềm cung cấp kèm theo máy thu GPS Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu thử nghiệm phần mềm xử lý số liệu đo GPS để thành lập lưới trắc địa Sự khác hệ thống phần mềm tính cạnh thể chỗ chọn loại toán tử sai phân cho phù hợp Ví dụ chương trình Remondi (1984) chọn loại toán - 27 - tử sai phân bậc 1: ∇, chương trình Vanicek (1985) chọn toán tử sai phân bậc 2: ∆∇, chương trình Eren (1987) chọn toán tử sai phân bậc 3: δ∆∇ Đối với tập hợp trị đo hoàn toàn lý tưởng (không bị nhiễu) tự động hóa từ đầu đến cuối Rất đáng tiếc tập hợp trị đo nói có nhiễu, trường hợp phải dùng chế độ không tự động Trong chế độ người tính phải có nhiều kinh nghiệm để định loại bỏ số liệu bị đứt đoạn, định số lần lặp v.v Điều quan trọng kinh nghiệm có tìm nhanh chóng lời giải thỏa mãn tiêu chuẩn đặt phần Độ số liệu lớn trình tính toán nhanh Độ thấp tính toán lâu thấp tới mức không tìm thấy lời giải thỏa đáng Ở Việt Nam máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây dựng lưới trắc địa chủ yếu máy thu Hãng Trimble Navigation, phần trình bày kết thử nghiệm để rút tiêu xử lý số liệu đo GPS phần mềm Hãng Trimble Navigation: TRIMVEC PLUS WAVE Phần mềm TRIMVEC PLUS Phần mềm TRIMVEC PLUS chương trình gồm chương trình: • TRIM640: Là chương trình dùng để xử lý cạnh đơn - Xác định vector điểm không gian • TRIMMBP: Là chương trình xử lý nhiều cạnh không gian - Xác định vector nhiều điểm không gian Cả hai chương trình có thao tác tương đối giống lại cho kết khác Ngoài ra, TRIM640 có chạy nhanh đôi chút so với TRIMMBP Trong thực tế người ta thường sử dụng TRIM640 trường hợp kiểm tra chất lượng đo ngoại nghiệp Sử dụng phần mềm TRIMVEC PLUS ta tính toán đại lượng sau đây: PSEUDO - RANGE: Cho phép tính toán tọa độ tuyệt đối điểm TRIPLE SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc δ∆∇ Lời giải có độ xác không cao khoảng cách ngắn Lời giải có xác suất tốt với khoảng cách lớn 50 km Lời giải có tên lời giải TRIPLE FLOAT SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc ∆∇ Lời giải có xác suất tốt với khoảng cách nhỏ 50 km Lời giải mang tên FLOAT FIXED SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc ∆∇ Lời giải khác với lời giải TRIPLE FLOAT có thêm phần kiểm định tiêu - 28 - chuẩn Fisher nhóm trị đo để khẳng định độ tin cậy lời giải Lời giải mang tên FIX Trong trường hợp trị đo không bị nhiễu lời giải hoàn toàn trùng Đó trường hợp lý tưởng Thực tế trị đo luôn có nhiễu mức độ khác lý lời giải khác Vì lời giải FIX có khả phân tích phương sai để kiểm định chất lượng theo tiêu chuẩn Fisher, nên lời giải có độ tin cậy lớn Lời giải FIX đưa tham số độ xác lời giải: RDOP (Relative Dillution of Position - đơn vị chu kỳ/mét), RMS (Root Mean Square - đơn vị chu kỳ, chu kỳ=19 cm), ∑ (phương sai vị trí điểm tương hỗ), RATIO - độ tin cậy lời giải, F - chuẩn Fisher Thông thường, lời giải FLOAT TRIPLE sử dụng phải thực thông qua việc xử lý bán tự động Kết tính cạnh cần đạt tiêu sau đây: • Ratio cần phải lớn 3.0; • RDOP < 0.1; • RMS sai số xác định chiều dài cạnh, yêu cầu RMS phải thỏa mãn tiêu chuẩn bảng Bảng 9: Chỉ tiêu RMS Khoảng cách (km) RMS 00 - 10 0.020 - 0.060 10 - 20 0.060 - 0.090 20 - 30 0.090 - 0.115 30 - 40 0.115 - 0.140 40 - 60 0.140 - 0.170 ∑ sai số tương hỗ vị trí điểm, loại sai số phải nhỏ sai số yêu cầu mạng lưới cần đo Chuẩn Fisher F đại lượng thỏa mãn điều kiện F>3-0.02D km Khi tiêu chuẩn thỏa mãn lời giải FIX coi có độ tin cậy 99,99% Trong trường hợp tiêu chuẩn bị vi phạm từ tới 1.5 lần giá trị chuẩn cho lời giải FIX cần phải cân nhắc (độ tin cậy giảm tới mức 90%) Lúc ta cân nhắc lời giải FLOAT FIX (với khoảng cách 50 km) lời giải TRIPLE FIX (với khoảng cách 50 km) Việc cân nhắc định thông qua sai số vòng khép tọa độ Nếu tiêu chuẩn lời giải FIX, FLOAT TRIPLE bị vi phạm 1.5 lần giá trị chuẩn cho lời giải coi bị loại bỏ, tức phải đo lại - 29 - Ngoài cần lưu ý tiêu sau đây: • RMS cần phải nhỏ 0.05 cho cạnh có chiều dài nhỏ 10km 0.08 cho cạnh có chiều dài đến 20km • Sự khác biệt thành phần dx, dy, dz lời giải FLOAT lời giải FIXED cần phải nhỏ 10 cm cạnh nhỏ 10km • Đối với cạnh có chiều dài lớn 20km trị đo phải đo tối thiểu 90 phút, đồng thời phải có vệ tinh liên tục • Nếu rms lớn 0.05 cạnh có chiều dài nhỏ 10km cần phải tiến hành xử lý lại phương pháp bán tự động • Đối với cạnh dài lời giải FIX không đạt nên sử dụng lời giải float • Đối với cạnh có chiều dài lớn 60km cần xử lý bán tự động sử dụng lời giải TRIPLE • Thông thường tính cạnh điểm đầu cạnh cần có toạ độ hệ WGS-84 với độ xác cỡ 100m (đối với cạnh ngắn) 10m (đối với cạnh dài) Toạ độ nhận thông qua thực đơn tính PSEUDO-RANGE chương trình Kết tính cạnh tốt đạt toạ độ điểm đầu cạnh có độ xác cỡ 1-2 m, đồng thời cạnh lưới tính lan truyền Yêu cầu hoàn toàn thực mạng lưới hạng I, II ta bình sai theo hệ WGS-84 quốc tế toạ độ B, L H có sai số cỡ 1-2 m so với điểm hệ toạ độ quốc tế IGS Phần mềm WAVE WAVE - Weighted Ambiguity Vector Estimator, chương trình có chức xử lý trị đo GPS phần mềm GPSURVEY WAVE chạy môi trường Windows có khả xử lý trị đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (FastStatic) trị đo động Các trị đo phase trị đo code sử dụng để tạo vector có độ xác cao điểm không gian Điểm bật xử lý trị đo lớn, đồng thời xử lý tất vệ tinh, TRIMMBP xử lý tối đa vệ tinh Phần mềm WAVE đưa thêm tiêu khác để đánh giá kết tính cạnh, độ lệch tham khảo (reference variance) Qua kết tính toán thử nghiệm rút quy định tiêu bảng 10 Bảng 10: Chỉ tiêu Reference Variance Chiều dài cạnh Reference Variance (km) Máy tần số Máy tần số - 30 [...]... lưới từ kết quả tính cạnh; • Bình sai không gian trong hệ toạ độ trắc địa; • Bình sai trong hệ toạ độ phẳng; • Bình sai lưới đo bằng phương pháp truyền thống; • Bình sai kết hợp 2 loại lưới: đo bằng công nghệ GPS và đo bằng phương pháp truyền thống; • Xây dựng mô hình Geoid Từ kết quả nghiên cứu thử nghiệm bình sai một số mạng lưới GPS có thể rút ra trình tự tính toán bình sai các mạng lưới GPS như... cho độ chính xác cỡ 1 dm - 20 - CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG Máy thu GPS nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, vậy tại điểm đo cần có một khoảng trống với khoảng thiên đỉnh phù hợp với việc xuất hiện 4 vệ tinh đồng thời thông hướng tới máy thu trong thời gian đo Nếu khoảng trống trên không có vật gì che... cần tiến hành bình sai độ cao trong hệ toạ độ WGS-84 4 Kết quả xác định độ cao sẽ tốt hơn khi áp dụng mô hình geoid địa phương được xây dựng dựa trên mô hình EGM96 và các điểm thuỷ chuẩn có trong lưới - 33 - CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA (Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation) I ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI GPS VÀ THIẾT KẾ... toạ độ vuông góc không gian, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng (thông qua hệ toạ độ trắc địa); 2 Bình sai trong hệ toạ độ trắc địa, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng; 3 Bình sai trực tiếp trong hệ toạ độ phẳng Theo các phương án trên có thể bình sai chung cả mặt phẳng và độ cao hoặc bình sai mặt phẳng và độ cao riêng biệt Về độ cao có thể bình sai trong hệ độ cao trắc địa hoặc... được bình sai theo hệ WGS-84 quốc tế và toạ độ B, L và H có sai số cỡ 1-2 m so với các điểm trong hệ toạ độ quốc tế IGS Phần mềm WAVE WAVE - Weighted Ambiguity Vector Estimator, là một chương trình có chức năng xử lý trị đo GPS trong bộ phần mềm GPSURVEY WAVE chạy trong môi trường Windows có khả năng xử lý các trị đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (FastStatic) hoặc các trị đo động Các trị đo phase và trị... nhau như đã nhận xét ở trên, không phải thời điểm nào kết quả đo GPS cũng đạt các yêu cầu Để dễ dàng trong việc tính cạnh và đạt kết quả cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để chọn khoảng thời gian đo tối ưu phù hợp với số thời gian đo tối thiểu Việc lập lịch đo có thể tiến hành theo chương trình trong bộ phần mềm xử lý kèm theo các loại máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng Intergraph... khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển... trút số liệu vào máy tính - Nạp ngay ắc quy đến tình trạng đầy - Tính toán khái lược trị đo GPS III TÍNH TOÁN KHÁI LƯỢC Sau khi các máy thu GPS thu đồng thời các tín hiệu vệ tinh chúng ta phải tính toán khái lược để thu được gia số tọa độ ∆X, ∆Y, ∆Z giữa các điểm đặt máy thu và ma trận phương sai tương ứng Quá trình tính toán khái lược phải tuân theo các quy định sau: Bước 1: Chuẩn bị số liệu tính gia... học GPS và độ chính xác Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc Thành phần thông thường của độ chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE - User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu... phase và trị đo code được sử dụng để tạo ra các vector có độ chính xác cao giữa 2 điểm trong không gian Điểm nổi bật của nó là có thể xử lý các trị đo lớn, đồng thời xử lý tất cả các vệ tinh, trong khi TRIMMBP chỉ xử lý được tối đa là 9 vệ tinh Phần mềm WAVE còn đưa ra thêm một chỉ tiêu khác để đánh giá kết quả tính cạnh, đó là độ lệch tham khảo (reference variance) Qua các kết quả tính toán thử nghiệm