Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng mỏ đồng sin quyền lào cai

Kỹ thuật định vị vệ tinh toàn cầu này đã mở ra bước ngoặt mang tính cáchmạng trong đo đạc và bản đồ bởi những tính năng vượt trội của nó so với các thiết bị đo kinh điển, trước hết là ch

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG MỎ LỘ THIÊN 2

1.1 Khái niệm 2

1.2 Phân loại lưới khống chế mặt bằng 2

1.2.1 phân loại theo đại lượng đo 2

1.2.2 Phân loại theo đồ hình lưới 2

1.2.3 Phân loại theo công nghệ đo lưới 7

1.2.4 Phân loại theo độ chính xác 7

1.3 Đặc điểm ,yêu cầu thành lập lưới khống chế mặt bằng mỏ lộ thiên 8

1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thành lập lưới theo phương pháp truyền thống 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GNSS 10

2.1 Lịch sử phát triển công nghệ GNSS 10

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS 11

2.2.1 Đoạn không gian (Space Segment) 11

2.2.2 Đoạn điều khiển ( Control Segment ) 15

2.2.3 Đoạn sử dụng (User Segment ) 16

2.3 Các hệ tọa độ sử dụng trong công nghệ GNSS 17

2.4 Các phương pháp định vị 19

2.5.Các phương pháp định vị 21

2.5.1 Đo GNSS tuyệt đối (Absolute Positioning) 21

2.5.2 Đo GNSS tương đối (Relative Positioning) 23

2.5.3 Đo GNSS vi phân DGNSS (Differential- GNSS) 29

2.6 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh 32

2.6.1 Sai số đồng hồ (Clock Error) 32

2.6.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh 32

2.6.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu 33

2.6.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) 35

2.6.5 Sai số do phản xạ đa đường dẫn (Multipath) 36

2.6.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình vệ tinh 36

2.6.7 Sai số tâm pha của anten 37

2.6.8 Các sai số do người đo 37

2.7 Lựa chọn phương pháp đo GNSS xây dựng lưới không chế mặt bằng mỏ lộ thiên 38

2.7.1 Khái niệm về mạng lưới GNSS 38

2.7.2 Ưu điểm của phương pháp đo GNSS xây dựng lưới khống chế mặt bằng 39

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MỎ ĐỒNG SIN QUYỀN TỈNH LÀO CAI 41

3.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu 41

3.1.1 Vị trí địa lý 41

3.1.2 Đặc điểm khí hậu ,thủy văn 41

3.1.3 Điều kiện kinh tế - văn hóa xã hội, giao thông liên lạc 42

3.2 Thiết kế lưới GNSS cho mỏ đồng Sin Quyền ,tỉnh Lào Cai 42

3.2.1 Tài liệu cơ sở và số liệu gốc 42

3.2.2 Lý thuyết thiết kế lưới GPS/GNSS 43

3.3 Sử lý số liệu bằng Trimble Business Center 50

3.3.1 Xây dựng hệ quy chiếu 50

3.3.2 Nhập số liệu 55

3.3.3 Biên tập 7 bảng bằng phần mềm Hhmaps2011 60

KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

MỞ ĐẦU

Tổ hợp mỏ - Tuyển đồng Sin Quyền được tổng viện nghiên cứu kim loạimàu Trung Quốc lập thiết kế từ năm 2002 với sản lượng 1,1 triệu tấnquặng/năm.Theothiết kế ban đầu khu mỏ gồm 2 khai trường khu Đông và khu Tây

Mở rộng và nâng công suất mỏ lên 2.5 triệu tán/năm là chủ trương của tập đoàncông nghiệp than - khoáng sản và tổng công ty khoáng sản –Vinacomin tại quyếtđịnh số 864/QĐ- HĐTV ngày 19 tháng 6 năm 2012 Theo đó cần thiết phải mởrộng diện tích cho các hạng mục xây dựng công trình mới gồm: Nhà máy tuyểnquặng số 2, trạm đập thô, tuyến băng tải, đập + bãi chứa quặng đuôi tuyển,mở rộngmoong khai thác và các bãi thải đất đá… Theo đó cần thiết phải xây dựng mạnglưới khống chế cơ sở phục vụ đo vẽ thi công mở rộng mỏ- tuyển đồng Sin Quyền,đồng thời làm tài liệu cơ sở phục vụ cho các công tác sản xuất của mỏ Công việcnày trở nên khó khăn hơn do các phương pháp thành lập lưới khống chế truyềnthống không đáp ưng kịp thời và hiệu quả như mong muốn Do vậy, nghiên cứuứng dụng công nghệ mới trong thành lập lưới khống chế cơ sở là cấp bách và cần

thiết, đây là lý do tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS thành

lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng mỏ đồng Sin Quyền Lào Cai”.

Nội dung chính của đồ án gồm 3 chương:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về lưới khống chế cơ sở mặt bằng mỏ lộ thiên.CHƯƠNG 2: Tổng quan về GNSS

CHƯƠNG 3: Ứng dụng công nghệ GNSS thành lập lưới khống chế cơ sở

mỏ đồng Sin Quyền Lào Cai

Do thời gian và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên bản đồ án này khôngtránh khỏi những thiếu sót Tôi mong rằng sẽ nhận được sự đóng góp ý kiến củacác thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp để kết quả nghiên cứu của bản đồ ánđược hoàn thiện và ứng dụng có hiệu quả hơn

Qua đây, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa trắc địa

đã chỉ bảo giúp đỡ tôi, đặc biệt là thầy giáo TS.Vương Trọng Kha, người đã

trục tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 15 tháng 6 năm 2015

Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG MỎ LỘ THIÊN 1.1 Khái niệm

Lưới khống chế cơ sở mặt bằng ở mỏ lộ thiên là tập hợp các điểm củalưới tam giác nhà nước các cấp I,II,III, IV và các điểm giải tích, các điểm củađường chuyền đa giác có độ chính xác tương đương những điểm này được bốtrí ở trên bờ mỏ, chức năng chủ yếu của chúng là làm cơ sở cho việc thành lậpcác loại bản đồ và các công tác trắc địa chuyên dụng khác

Các điểm khống chế cơ sở được bố trí đều đặn trên bề mặt địa hình khu

mỏ, ở các khu vực đất đá ổn định,đảm bảo bền chắc và tồn tại lâu dài

1.2 Phân loại lưới khống chế mặt bằng

1.2.1 phân loại theo đại lượng đo.

Theo đại lượng đo ta chia làm 4 loại lưới:

- Lưới tam giác đo góc: là lưới có đồ hình tam giác, đại lượng đo là tất cảcác góc trong tam giác

- Lưới tam giác đo cạnh: là lưới có đồ hình tam giác, đại lượng đo là tấtcảcác cạnh trong các tam giác

- Lưới tam giác đo góc cạnh: là lưới có đồ hình tam giác,đo góc cạnh kết hợp

- Lưới đo bằng công nghệ GPS: là lưới được đo bằng công nghệ mới GPS/GNSS lưới được thành lập theo phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so vớilưới được thành lập bằng công nghệ truyền thống

1.2.2 Phân loại theo đồ hình lưới

Tùy thuộc vào hình dạng kích thước và địa hình khu mỏ mà lưới có thểđược thành lập theo các dạng sau:

 Lưới giải tích

Lưới giải tích được thành lập dựa vào các điểm của lưới tam giác nhànước ở việt Nam, các khu mỏ được phân bố chủ yếu ở các vùng có địa hìnhphức tạp : đồi núi dốc thẳm, rừng núi dậm,sông suối chia cắt v.v… Việc áp dụng

các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy phạm của Tổng cục địa chính về thành lập lướigiải tich gặp nhiều khó khăn,thậm chí không thực hiện được Theo quy phạmtrắc địa mỏ,lưới giải tích khu mỏ như trên là hoàn toàn hợp lý đảm bảo tươngquan trong công tác trắc địa ở vùng mỏ.

Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước, địa hình khu mỏ mà lưới có thể đượcthành lập theo các dạng như : đa giác trung tâm, tứ giác trắc địa, chuỗi tam giác

Hình 1.1 các dạng lưới giải tích ở mỏ lộ thiên.

Khi xây dựng lưới khống chế cơ sở cần lưu ý các yêu cầu sau đây:

- các điểm được bố trí đều đặn trên toàn khu mỏ

- các điểm phải có tầm bao quát lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho việcphát triển lưới khống chế đo vẽ

- các điểm phải nằm xa khu vực bị ảnh hưởng khai thác và các phá hoạiđịa chất để đảm bảo sự tồn tại lâu dài

 Lưới đường chuyền

Lưới đường chuyền hiện nay được áp dụng khá rộng rãi Với việc ứngdụng phổ biến các loại máy toàn đạc điện tử thi lưới đường chuyền ngày càngđược phát huy Đặc biệt trong những điều kiện địa hình khó khăn mà phươngpháp giải tích không thể thực hiện được Lưới đường chuyền có 2 cấp: đườngchuyền câp I, và đường chuyền cấp II

Khi thiết kế đường chuyền cần thỏa mãn các điều kiện sau:

Các góc ngoặt của đường chuyền phải lớn hơn 1350, chiều dài cạnhlớn hơn 250m, việc đo góc phải được tiến hành với các máy móc có độ

chính xác cao.

Sai số phải thỏa mãn:

fβ ≤ ±10√n đối với đường chuyền cấp 1

fβ ≤ ±20√n đối với đường chuyền cấp 2Trong đó: n – số góc ngoặt của đường chuyền

Sai số tương đối chiều dài cạnh phải đảm bảo độ chính xác 1/15000 vớiđường chuyền cấp 1 và 1/8000 với đường chuyền cấp 2

Chiều dài tối đa giữa 2 điểm khởi tính không vượt quá 10km

Lưới đường chuyền đo vẽ

Đường chuyền đo vẽ là tập hợp các điểm bố trí trên các tầng mỏ lộ thiên,tạo thành một đường gãy khúc liên tục tùy thuộc vào khả năng đo nối tới cácđiểm khống chế cơ sở cấp cao mà ta chia ra:

- Đường chuyền khép kín

- Đường chuyền phù hợp

- Đường chuyền treo

Phương pháp đường chuyền kinh vĩ xây dựng điểm khống chế đo vẽ ở mỏ

lộ thiên được áp dụng khi số tầng công tác ít,địa hình bằng phẳng và có dạngkéo dài, mặt tầng công tác rộng thuận lợi cho việc đo chiều dài Phương phápnày có ưu điểm là đơn giản khi thành lập và tính toán, không phụ thuộc vào khảnăng ngắm thông giữa các điểm khống chế cơ sở

Giao hội điểm

Giao hội là phương pháp phổ biến nhất đẻ xây dựng điểm khống chế đo

vẽ ở mỏ lộ thiên,nó được sử dụng trong điều kiện hình dạng mỏ phức tạp, chiềusâu khai thác lớn và các điểm khống chế cơ sở xa Có nhiều phương pháp giaohội điểm: giao hội thuận, giao hội nghịch, giao hội tam giác đơn, giao hội góccạnh kết hợp…

- Giao hội thuận

Khi xây dựng điểm khống chế đo vẽ trên mỏ lộ thiên ,phương pháp giaohội thuận có độ chính xác cao ,công tác tính toán đơn giản Từ các điểm khống

chế cơ sở có thể xây dựng được nhiều điểm khống chế đo vẽ.

Hình 1.2 Giao hội thuận

Nhược điểm chính của phương pháp này là công tác ngoại nghiệp lớn.Trong thực tế sản xuất,để có điều kiện kiểm tra độ ổn định của các điểmkhống chế cơ sở làm tăng độ tin cậy của kết quả giao hội người ta quy định :giao hội thuận phải được tiến hành từ 3 điểm khống chế cở Như vậy phươngpháp này vẫn đang được ứng dụng rộng rãi ở các mỏ lộ thiên Việt Nam

- Giao hội nghịch

Cũng như giao hội thuận ,giao hội nghịch cũng thường được áp dụng ởcác mỏ lộ thiên Việt Nam để xây dựng điểm khống chế đo vẽ vì khối lượngcông tác ngoại nghiệp ít,cho phép kết hợp quá trình đo giao hội với việc đo chitiết tại trạm máy.Nhược điểm là công tác tính toán phức tạp,độ chính xác giảmdần khi điểm p nằm càng gần “ vòng tròn nguy hiểm”

Hình 1.3 Giao hội nghịch

Khi thực hiện giao hội nghịch cần ngắm thông đến ít nhất 3 điểmkhốngchế cơ sở, điều này làm giảm khả năng ứng dụng vì điều kiện ngắm thông đến

các điểm khống chế bị giảm, đặc biệt đối với mỏ lộ thiên khai thác xuống sâu.

- Giao hội tam giác đơn

Giao hội tam giác đơn là một dạng của giao hội thuận được tiến hành từhai điểm khống chế cơ sở A và B,nhưng ngoài việc đo 2 góc β1,β2, người ta còn

đo thêm góc β3 tại P Như vậy sẽ có điều kiện để kiểm tra các góc trong tam giác

Hình 1.4.giao hội tam giác đơn

Cũng giống như giao hội thuận, giao hội tam giác đơn có cách tính toánđơn giản, chỉ cần 2 điểm khống chế cơ sở để xây dựng điểm đo vẽ và được coinhư ưu điểm lớn nhất của công tác trắc địa ở mỏ lộ thiên.Nhược điểm củaphương pháp này là công tác ngoại nghiệp lớn,mặt khác do không có điều kiệnkiểm tra độ ổn định của điểm khống chế nên mức độ tin cậy thấp

- Giao hội góc cạnh 2 hướng

Giao hội góc cạnh 2 hướng là trường hợp đứng máy tại điểm giao hội cầnxác định ngắm đến 2 điểm khống chế cơ sở A và B.Đại lượng đo là góc kẹp giữa

2 hướng Pa và PB, chiều dài các cạnh PA,PB

Hình 1.5 Giao hội góc cạnh hai hướng

Giao hội góc cạnh 2 hướng có cách tính đơn giản,công tác ngoại nghiệp ít,vì

vậy phương pháp này đang được ứng dụng phổ biến tại các vùng mỏ lộ thiên.

1.2.3 Phân loại theo công nghệ đo lưới.

Tùy thuộc vào thiết bị hiện có của đơn vị được trang bị cũng như sự pháttriển công nghệ của các nhà sản xuất.các mạng lưới cơ sở mỏ lộ thiên cũng có sựkhác biệt về công nghệ đo như: lưới đo bằng máy quang cơ, máy toàn đạc điện

tử, định vị vệ tinh

1.2.4 Phân loại theo độ chính xác.

Tùy thuộc vào độ chính xác và các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu mà mạng lướiKhống chế cơ sở ở mỏ lộ thiên được phân chia thành 3 cấp hạng: Lướikhống chế cơ sở cấp 1, Lưới khống chế cơ sở cấp 2, Lưới khống chế cơ sở cấp 3

Theo quy phạm thời Trắc địa mỏ của Bộ Công Nghiệp Việt Nam qui địnhcác chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với lưới giải tích như sau:

Lưới tam giác giải tích

Chiều dài các cạnh tam giác

- Lớn nhất

- Nhỏ nhất

Góc giữa các hướng cùng cấp không nhỏ

hơn

Số lượng tam giác giữa các cạnh khởi tính

Sai số khép góc lớn nhất trong tam giác

Sai số trung phương đo góc tính theo sai

số khép tam giác

Sai số trung phương cạnh khởi tính

Sai số tương đối cạnh yếu nhất

Lưới đa giác

4”

1:50.0001:30.000

15

8001.5002004”

4 km0,8 km

200

1030”

6”

1:30.0001:15.000

15107

200500100

2.5007”

3 km0,5 km

200

1040”

9”1:15.0001:8.000

15107

150300801.20012”

1.3 Đặc điểm ,yêu cầu thành lập lưới khống chế mặt bằng mỏ lộ thiên

Khi thiết kế và xây dựng các mốc lưới khống chế cần căn cứ vào bản vẽtổng hợp mặt bằng khu mỏ kết hợp với việc khảo sát hiện trường.Vị trí các mốcphải đảm bảo bền vững,ổn định, ít bị biến dạng, hoặc bị phá hủy trong quá trìnhkhai thác phải bố trí thuận lợi cho mục đích sử dụng

Hệ tọa độ của lưới phải phù hợp với hệ tọa độ đang sử dụng ở mỏ

Một đặc điểm ở các mỏ là các mốc khống chế dễ bị pha hủy,mất ổn định

do quá trình sử dụng khai thác ở mỏ gây ra Vì vậy, trong những năm đầu mở

mỏ ,hệ thống các mốc phải được đo lại định kì để kiểm tra ,đánh giá độ ổn định,phát hiện sự dịch chuyển của các mốc do thiên nhiên hay tác động của conngười, nhằm kịp thời hiệu chỉnh hoặc xây dựng mốc mới

Trong suốt quá trình khai thác, nếu phát hiện dấu hiệu dịch chuyển vị trícác mốc bằng mắt thường (do động đất, trượt, nổ mìn, khai thác, đào đắp…)phải đo lại ngay hoặc thông báo loại bỏ những mốc bị dịch chuyển, không đượcphép sử dụng

1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thành lập lưới theo phương pháp truyền thống

Ưu điểm: có thể bố trí các mốc lưới sát khu nhà xưởng hay dưới các vật

bị che chắn khuất bầu trời, trong điều kiện đảm bảo thông hướng trên mặt đất.giá thành đầu tư thiết bị máy móc thấp,bố trí nhân lực đơn giản,yêu cầu người

đo và ghi có sổ kỹ thuật và có kinh nghiệm, người dựng tiêu và chôn mốckhông cần kỹ thuật cao

Nhược điểm: đối với mỏ lộ thiên nói chung, việc thông hướng từ các điểmkhống chế cơ sở gặp nhiều khó khăn Việc phân chia và phát triển thêm cácđiểm của lưới giải tích đòi hỏi công tác tồn nhiều thời gian và công sức, độchính xác thấp dần theo cấp lưới,gây ảnh hưởng đến tiến độ hoạt động khai thác

mỏ, nhiều khi còn phải bố trí thêm các điểm phụ ngoài dự kiến mà không cómục đích sử dụng

Do phải đáp ứng điều kiện thông hướng nên công tác thiết kế bố trí điểmmốc tương đối gặp khó khăn khi khu vực có nhiều vật chắn.Quy trình đo đạc và

xử lý số liệu phức tạp, thời gian thi công lâu.

Những nhược điểm này có thể được khắc phục bằng phương pháp thànhlập lưới khống chế theo công nghệ GNSS vì công nghệ GNSS cho phép lập lướivới độ chính xác cao, đảm bảo tiến độ, công tác chọn điểm mốc dễ dàng hơn.Chính vì điều này nên việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GNSS để thành lậplưới khống chế cơ sở mặt bằng cho các vùng mỏ là cần thiết và có ý nghĩa thựctiễn cao

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ GNSS 2.1 Lịch sử phát triển công nghệ GNSS

Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ của khoa học và công nghệ, các

kỹ thuật đo đạc hiện đại đã ra đời và nhanh chóng được sử dụng vào thực tiễn,mang lại những hiệu quả cao Như toàn đạc điện tử đã cho phép đo góc với độchính xác tới 1”, đo cạnh dài tới 7000m (gương chùm) với độ chính xác 1 mm ± 2ppm Thủy bình điện tử góp phần nâng cao độ chính xác và năng suất đo thủychuẩn chính xác Các thiết bị đo dựa trên kỹ thuật laze như máy Scan Laser 3Dcho phép quan trắc lún và biến dạng mặt đất một cách thuận tiện và chính xác.Nhưng đáng ghi nhận hơn cả là sự ra đời của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầuGNSS (Global Navigation Satellite System) bao gồm các hệ thống định vị GPS(Mỹ), Glonass (Nga), Galileo (EU), Bắc Đẩu-Compass (Trung Quốc), chủ đạovẫn là hệ thống định vị GPS và mới đây là Glonass

Hình 2.1 Hình ảnh vệ tinh nhân tạo.

Kỹ thuật định vị vệ tinh toàn cầu này đã mở ra bước ngoặt mang tính cáchmạng trong đo đạc và bản đồ bởi những tính năng vượt trội của nó so với các thiết

bị đo kinh điển, trước hết là cho phép xác định đồng thời cả 3 thành phần tọa độvới độ chính xác cao, dễ thao tác, đo đến khoảng cách xa đến hàng nghìn km, cóthể đo đạc trong mọi điều kiện thời tiết (mưa, nắng, gió to, ) và thời gian (ngàycũng như đêm), không đòi hỏi tầm nhìn thông giữa các điểm đo Hiện nay, nó đãtrở thành một trong nhưng công cụ chủ đạo phục vụ các công tác trong trắc địa

nói chung cũng như trắc địa mỏ nói riêng: thành lập lưới khống chế, đo vẽ địahình, quan trắc chuyển động và biến dạng mặt đất, v.v Với những điều kiện đặcthù địa hình và công việc có đôi chút khác biệt, khó khăn hơn so với trắc địathông thường thì việc ứng dụng công nghệ GNSS đã mang lại hiệu quả công việcđáng kể, tăng độ chính xác, giảm thiểu công tác ngoại nghiệp rất lớn.

Do vậy, việc ứng dụng công nghệ GNSS là rất cần thiết và cấp bách trongcông tác Trắc địa mỏ: “ Ứng dụng công nghệ GNSS thành lập lưới khống chế cơ

sở trên vùng mỏ”

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS

Cấu trúc chung của các hệ thống GNSS bao gồm 3: Đoạn không gian

(Space Segment), Đoạn điều khiển(Control Segment), Đoạn sử dụng(Use

Segment ).

Hình 2.2 Cấu trúc của các hệ thống GNSS.

2.2.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Chòm sao vệ tinh

mặt đất 1 ngày sao 8 ngày sao 3 ngày sao 10 ngày sao

Hệ thống GPS sử dụng kỹ thuật phân chia mã CDMA (Code DivisionMultiple Access) phát tín hiệu trên 2 dải băng tần số L1, L2 và trong thế hệ vệtinh thứ 3 (2010) sử dụng dải băng tần L2C (L2 Civil Moderate-(L2 CM) và L2Civil Long-L2 CL)) và phát thêm dải tần số L5 có tần số 1176.45 MHz Sau

năm 2012 thêm L3C Civil code Việc thay đổi sang băng tần L2c và thêm băngtần L5 sẽ làm cho việc đạo hàng từ vệ tinh giảm thiểu được sai số quỹ đạo vệtinh, do độ trễ tầng điện ly, đa đường dẫn v.v… nâng cao độ chính xác

Hệ thống GLONASS sử dụng kỹ thuật truy cập đa phân chia tần sốFDMA (Frequency Division Multiple Access Technique) phát tín hiệu trên 2 dảibăng tần L1, L2 Trong tương lai từ năm 2013 đến 2015 sẽ tiến tới sử dụng thế

hệ vệ tinh mới GLONASS-K2 và GLONASS-KM sử dụng dụng kỹ thuậtCDMA phát thêm sóng mang L3 và L1, L2, L5

Hệ thống GALILEO được chú trọng cho các ứng dụng dân sự (open

service) và dịch vụ an toàn cuộc sống (safety of life), được sử dụng kỹ thuật

tương tự như GPS phát trên các dải băng tần L1, E5, E6

Đối với việc ứng dụng công nghệ GNSS trong ngành khoa học trắc địabản đồ nói chung cũng như ngành trắc địa mỏ nói riêng, bên cạnh các tín hiệu vệtinh GPS, việc có thêm các tín hiệu vệ tinh Glonass và trong tương lai là các tínhiệu vệ tinh của các hệ khác, là điều kiện thuận lợi để giải quyết các nhiệm vụkhoa học, kỹ thuật và sản xuất, nâng cao độ chính xác xác định tọa độ điểm.Cùng với các dữ liệu đo GPS, các dữ liệu GLONASS đóng vai trò của các trị đo

dư trong việc nâng cao độ chính xác của các tham số cần tìm

Hệ thống GLONASS sử dụng kỹ thuật FDMA trên cả hai băng tần số L1

và L2 Điều này có nghĩa là mỗi vệ tinh GLONASS truyền các sóng mạng ởbăng tần số L1 và L2 với các tần số của riêng mình, trong khi hệ thống GPS sửdụng kỹ thuật CDMA Do hệ thống GLONASS không sử dụng mã để phân biệtcác vệ tinh, nên các vệ tinh GLONASS đều phát các tín hiệu mã như nhau,nhưng phát các sóng mang với các tần số khác nhau bởi kỹ thuật FDMA Còn hệthống GPS sử dụng kỹ thuật CDMA, nên các vệ tinh GNSS đều phát các tínhiệu mã khác nhau, nhưng phát các sóng mang L1 (tương tự với L2) với tần sốnhư nhau đối với tất cả các vệ tinh GNSS

Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao

cỡ 10-12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu có tần số cơ sở 10.23 Mhz và để từ đó

=1227,60 Mhz (có bước sóng ≈ 25 cm) Mục đích sử dụng sóng tải là để làmgiảm ảnh hưởng của tầng điện ly Để phục vụ cho các mục đích và đối tượngkhác nhau, các tín hiệu phát đi được điều biến mang theo các loại code khácnhau là C/A-code, P-code, Y-code.

C/A- code là code thô thâu tóm (coarse/Acquisition code) Nó được sử

dụng cho mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1 Code này được tạo bởi 1chuỗi bao gồm từ các chữ số 0 và 1 được sắp sếp theo quy luật tựa ngẫu nhiênvới tần số 1,023 Mhz tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và được lặp lại sau mỗi mộtminli giây Mỗi vệ tinh được gán cho 1 C/A- code riêng biệt

P-code là code chính xác (Precision code) Nó được sử dụng cho các mục

đích quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L1 và L2.Code này được tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1, được sắp xếp theo quyluật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 Mhz; độ dài toàn phần của code là 267ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-code mới lặp lại Tuy vậy, người ta chia codenày thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh 1 trong các đoạncode này và cứ sau mỗi tuần lại thay đổi Bằng cách này P-code rất khó bị giải

mã để sử dụng nếu không được phép

Y-code là code bí mật, được phủ lên P-code gọi là kỹ thuật AS

(Anti-Spoofing) Trong 3 khối vệ tinh GPS được đưa lên quỹ đạo ( khối I,II,II-A) thì

chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) thì mới có khả năng này

Cả 2 sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng baogồm tọa độ theo thời gian của vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh đồng

hồ của vệ tinh, đồ hình phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống

Ngoài 2 sóng tải L1 và L2 phục vụ cho mục đích định vị cho người dùng,các vệ tinh còn dùng 2 sóng tần số 1783,74 Mhz và 2227,5 Mhz để trao đổithông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

Độ chính xác định vị điểm ước đạt cỡ 1% bước sóng của tín hiệu Nhưvậy, ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độ chính xác cỡ3m Do vậy phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp độ chính xác định

vị tuyệt đối Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective Availabity) Vì vậy

khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác cỡ 50 đến 100m Từngày 20-05-2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA.

Mỗi vệ tinh GPS có trọng lượng 1830 kg khi phóng và 930 kg khi baytrên quỹ đạo Các máy móc thiết bị trên vệ tinh hoạt động nhờ năng lượng docác tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580 cm cung cấp Tuổi thọ của vệ tinh theothiết kế là 7,5 năm Tuy nhiên, có những vệ tinh bị hỏng hóc khá nhanh và đãđược thay thế bằng các vệ tinh dự phòng

2.2.2 Đoạn điều khiển ( Control Segment )

Đoạn điều khiển được thiết lập để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống

định vị này Trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station- viết tắt là

MCS) được đặt tại căn cứ không quân của Mỹ gần Colorado springs Trạm điềukhiển trung tâm này có nhiệm vụ chủ yếu trong đoạn điều khiển, cập nhật thôngtin đạo hàng truyền đi từ vệ tinh Cùng phối hợp với trạm điều khiển trung tâm

là hệ thống hoạt động kiểm tra OCS (Operational Control System) bao gồm các trạm theo dõi (monitoring stations) phân bố quanh trái đất, đó là các trạm

Colorado Spings, Hawaii, Assension Islands, Diego Garcia, Kwajalein Các trạmnày theo dõi tất cả các vệ tinh có thể quan sát được Các số liệu quan sát được ởcác trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm MCS, tại đây việc tínhtoán số liệu chung được thực hiện để thiết lập thong tin đạo hàng hiện thời Nộidung thông tin đạo hàng (đã cập nhật) được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ

vệ tinh chuyển đến máy thu của người sử dụng

Hình 2.4.Các trạm điều khiển của hệ thống GPS

Như vậy vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theodõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàngtrong đó có lịch vệ tinh quảng bá, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vịbằng hệ thống GPS Các công việc quan sát và xử lý của điều khiển có thể coi làquy trình thực hiện bài toán thuận nhằm có được vị trí vệ tinh trên quỹ đạo để từ

đó cung cấp cho đoạn sử dụng Các thông tin từ các trạm điều khiển chuyển lên

vệ tinh được thực hiện ở giải tần S (S-band) có bước sóng cỡ 10 cm, trong khitín hiệu từ vệ tinh chuyển đến máy thu được sử dụng dải tần L (L-band ), bướcsóng khoảng 20 cm

Cơ quan bản đồ thuộc bộ quốc phòng Mỹ (DMA) đã phối hợp với 1 sốnước khác xây dựng mạng lưới theo dõi hệ thống GPS trên toàn cầu, như cácnước Australia, Baranh, Equador, Anh, Trung Quốc v.v… Nhờ sự phối hợp vớimạng lưới quan trắc rộng rãi này DMA đã xác định được lịch vệ tinh chính xác.Nhờ đó cơ quan trắc địa quốc gia Mỹ (NGS) sẽ đáp ứng nhu cầu cung cấp chocác cơ quan dân sự sử dụng lịch vệ tinh chính xác trong định vị GPS

Gần đây, số lượng trạm quan trắc GPS tăng lên Nhiều cơ quan trắc địabản đồ của các quốc gia khác nhau, nhiều viện nghiên cứu, các trường đại học

và nhiều nhóm nghiên cứu ở mọi nơi trên thế giới đã có được các trạm quan trắcliên tục và sử dụng nó như “sân sau” để được sử dụng GPS với độ chính xáccao Trước hết phải kể đến sự cố gắng của tổ chức hợp tác quốc tế về lưới GPS –CIGNET và những kết quả đạt được của cơ quan ứng dụng GPS trong nghiên cứđịa động- IGS, bắt đầu hoạt động từ 01-01-1994

2.2.3 Đoạn sử dụng (User Segment )

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GNSS, thiết bị thu nhận thông tin từ

vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của kháchhàng kể cả trên bầu trời, trên biển, trên đất liền Có thể sử dụng 1 máy thu riêngbiệt hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ 2máy thu trở lên, hoạt động đồng thời theo 1 lịch trình thời gian nhất định (trườnghợp định vị tương đối) hoặc trường hợp hoạt động với máy thu đóng vai trò làmáy chủ phát tín hiệu vô tuyết hiệu chỉnh cho các máy thu khác (trường hợpđịnh vị vi phân ) Ngoài ra, có thể sử dụng như 1 hệ thống dịch vụ đạo hàngGNSS đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực (đang được thiết lập

ở 1 số nước phát triển)

Máy thu GNSS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng nhờ các tiến

bộ trong lĩnh vực điện tử viễn thông và kỹ thuật thông tin, tín hiệu số, các máythu đã ngày càng được hoàn thiện Ngành chế tạo máy thu GNSS là ngành kỹthuật cao Các máy thu hiện nay có thể làm việc được với đầy đủ các bước sóngtải L1 và L2(máy hai tần), hoặc chỉ thu được tin hiệu một tần L1 Có thể định vịtuyệt đối khoảng cách giả C/A code và cả khoảng cáchP(Y) code hoặc theo phasóng tải Một số hãng còn chế tạo các máy thu có thể thu được đồng thời tín hiệu

vệ tinh GPS và GLONASS

Người ta sản xuất ra nhiều các máy thu Có loại phục vụ cho mục đíchđạo hàng, có loại phục vụ cho muc đích trắc địa, cũng có loại nhỏ gọn phục vụcho mục đích du lịch Hiện nay, có nhiều máy thu có khả năng đo ở chế độ tứcthời Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu GNSS như hãng TrimbleNavigation, Ashtech(Mỹ), minimax(Đức), Sokkia(Nhật), Leica(Thụy )

Hình 2.4Một số loại máy thu GNSS

Kèm theo các máy thu GNSS phục vụ cho công tác trắc địa là phần mền

sử lý số liệu đo Các phần mền ngày càng được phát triển và hoàn thiện thêmnhiều tính năng cũng như thân thiện với người sử dụng Chúng ta đã biết một sốphần mền sử lý số liệu như Trimble Business Center, Trimvec, GPSurvey

2.3 Các hệ tọa độ sử dụng trong công nghệ GNSS

Người sử dụng có thể nhận được tọa độ của điểm mặt đất bất kỳ trong hệWGS-84 khi sử dụng công nghệ GNSS Hệ tọa độ WGS-84 là hệ tọa độ địa tâmmặt đất Điều đó có nghĩa là các yếu tố để định vị hệ tọa độ này (kinh tuyến điqua đài thiên văn Greewich) đều thuộc về quả đất

Tuy nhiên tọa độ của mọi điểm trên mặt đất được xác định trong hệ tọa độ nàykhông thay đổi và không phụ thuộc vào sự quay quanh trục của quả đất Vì lý

do đó hệ tọa độ WGS-84 cũng như mọi hệ tọa độ địa tâm quả đất khác được sửdụng rộng rãi trong Trắc địa – Bản đồ để xây dựng mạng lưới trắc địa và thànhlập bản đồ

Để xác định các tham số quỹ đạo chuyển động của vệ tinh người ta phải

sử dụng hệ tọa độ sao Hệ tọa độ sao có một yếu tố không liên quan tới Trái đấtđiểm xuân phân(điểm xuân phân là giao điểm của mặt phẳng xích đạo và đườnghoàng đạo) Như vậy các tham số quỹ đạo của vệ tinh được xác định trong hệtọa độ sao và được sử dụng để tính toán ra tọa độ của vệ tinh trong hệ WGS-84vào thời điểm quan sát

Trong cuộc sống hàng ngày và trong lĩnh vực khoa học - kỹ thuật người tathường sử dụng hệ thông thời gian liên quan đến chuyển động của mặt trời: Đó

là giờ mặt trời trung bình Hệ thông thời gian này có quan hệ mật thiết với hệthống thời gian sao

Do bị anh hưởng của nhiều yếu tố, các hệ thông thời gian mặt trời và saothường không ổn định, nên người ta xây dựng chuẩn thời gian dựa trên việc xácđịnh số giao động của một nguyên tử đồng vị phóng xạ giữa hai mức cân bằng.Chuẩn thời gian là giờ nguyên tử với độ ổn định rất cao và không liên quan tới sựquay của quả đất Trong công nghệ GNSS để xác định khoảng cách từ vệ tinh tớimáy với độ chính xác cỡ cm và thậm chi mm đòi hỏi phải đáp ứng hai điều kiện:

Sự đồng bộ rất cao giữa đồng hồ và máy thu

Độ chính xác xác định thời gian phải rất cao(cỡ 10-11 s)

Nguyên lý xác định vị trí điểm trạm đo

Trong thực tế tọa độ không gian của máy thu được thực hiện trên cơ sởphương pháp giao hội cạnh không gian Từ những vệ tinh trong không gian (đã

có tọa độ) và khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu ta có thể xác định được vị tríkhông gian của máy thu Trong đó các thông số của vệ tinh đã được cung cấpcòn khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh sẽ được xác định dựa trên cơ sở hai đại

lượng đo, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code vàP-code) và đo pha sóng tải (L1 và L2).

Gọi t- khoảng thời gian chuyền sóng từ vệ tinh tới máy thu

C- là vận tốc chuyền sóng điện từ trong chân không(C= 299792458 m/s).Vậy khoảng cách thực tế từ vệ tinh tới máy thu là

R=c.t =√(X s−X)2

+(Y s−Y )2

+(Z s−Z )2 (1.1)Trong đó:

Xs,Ys,Zs: là tọa độ quỹ đạo tức thời của vệ tinh X,Y,Z : là tọa tâm angten

R- khoảng cách đo được

Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau mà thời gian chuyền sóngđiện tử có giá trị sai lệch là ∆t, vì vậy khoảng cách đo được là:

R=c(.t+∆t)=√(X s−X)2

+(Y s−Y )2

+(Z s−Z )2+ c∆t (1.2)

Do đó, ta có 4 ẩn số trong phương trình(1.2)X,Y,Z, ∆t

Nếu đồng thời từ điểm trạm đo xác định được 4 khoảng cách giả tới 4 vệtinh trong hệ thống GNSS, ta sẽ giải được hệ phương trình 4 ẩn trên

2.4 Các phương pháp định vị

2.4.1 Các đại lượng đo

Công tác đo GNSS được thực hiện theo hai nguyên tắc cơ bản, đó là định

vị tuyệt đối (Absolute positioning) và định vị tương đối (Relative positioning).

Việc định vị bằng GNSS được sử dụng trên cơ sở sử dụng 2 đại lượng đo cơ bảnlà: Đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-code) và

đo pha sóng tải (L1 và L2)

Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Đo khoảng cách giả tức là xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh,nhưng khoảng cách đo được không phải là khoảng cách thực, chính xác Do sựkhông đồng bộ đồng hồ trên máy thu và đồng hồ trên vệ tinh, và do sự ảnhhưởng của môi trường lan truyền tín hiệu

1 1 0 1

1 0 1 1 0 0 0

1 0 0 1 1 1 0 1 1

1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1

∆t t

Code truyền từ vệ tinh

Code thu được

Code do may tạo ra

Hình 2.5 Đo khoảng cách giả theo code.

Khoảng cách giả được xác định bằng cách: máy thu GNSS thu code tựngẫu nhiên được phát từ vệ tinh cùng với sóng tải và đem so sánh với code tựangẫu nhiên do chính máy thu GNSS tạo ra có thể xác định được khoảng thờigian lan truyền tín hiệu code, và từ đây xác định được khoảng cách từ máy thuđến vệ tinh (đúng hơn là từ anten máy thu đến vệ tinh)

Ký hiệu ts là thời điểm tính theo đồng hồ vệ tinh khi phát tín hiệu và tR làthời điểm tính theo đồng hồ máy thu nhận tín hiệu code Tương tự ta ký hiệu độsai của các đồng hồ tính theo hệ thống giờ GNSS là δs và δR lần lượt với đồng hồ

vệ tinh và đồng hồ máy thu Khi đó thời gian lan truyền tín hiệu là:

∆t= tR - ts = [ tR(GNSS)+δR ] – [ts(GNSS)+δs]= ∆t(GNSS)+∆ (1.3)Trong đó ta ký hiệu: ∆t(GNSS)=tR(GNSS)-ts(GNSS) và ∆ =δR-δs

(1.4)

Độ sai lệch đồng hồ vệ tinh δscó thể mô hình hóa theo hàm đa thức nhờcác hệ số a0,a1,a2 chuyền từ vệ tinh lưu trong đoạn đầu tiên của thông tin đạohàng Số hiệu chỉnh của đồng hồ vệ tinh được xác định:

δs=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2 (1.5)Trong đó t là thời điểm xét, t0 là thời điểm lịch vệ tinh

Khoảng cách giả R được tính theo công thức:

R=c(.t+∆t ) =√(X s−X)2+(Y s−Y )2+(Z s−Z )2 + c.∆t (1.6)Trong đó:

c : tốc độ lan truyền tín hiệu

Xs,Ys,Zs : là tọa độ không gian vệ tinh S

X,Y,Z : là tọa độ không gian điểm quan sát.

Độ chính xác đạt được trong trường hợp sử dụng C/A-code theo dự tínhcủa các nhà thiết kế hệ thống GNSS, kỹ thuật đo lan truyền tín hiệu chỉ có thểđảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến ảnhhưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu sai số đo khoảng cách cỡ 100m Song kỹthuật xử lý tín hiệu code này đã phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác

đo khoảng cách tới cỡ 3m, tức là không thua kém trường hợp sử dụng P-codevốn không dùng cho khách hàng đại trà Chính lý do này Mỹ đã phải đưa ra giảipháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-code

Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải

Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao.Với mục đính này người ta tiến hành đo hiệu số pha cả sóng tải do máy thu nhậnđược từ vệ tinh và pha của tín hiệu đồng hồ chính máy thu tạo ra Ký hiệu hiệu

số pha do máy thu đo được là Ф (0<Ф<2Л), khi đó có thể viết:

Ф= 2 Л

Trong đó: R- Khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu

λ- Bước sóng của sóng tảiN- Số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R

∆ t- Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu

N được gọi là số nguyên đa trị, thường không được biết trước mà cần xácđịnh trong quá trình đo

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cáchgiữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ centimet thậm chí milimet Sóng tải

L2 có độ chính xác thấp hơn L1, nhưng có tác dụng cùng sóng tải L1 giảm thiểuảnh hưởng sai số của tầng điện ly và đơn giản hóa việc xác định số nguyên đa trị

N Dưới đây là bảng so sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xácđịnh khoảng cách

2.5.Các phương pháp định vị

2.5.1 Đo GNSS tuyệt đối (Absolute Positioning)

Đo GNSS tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy thu GNSS để xácđịnh tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84, là các thành phầntọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu(B,L,H) Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GNSS,tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy trong hệ tọa độ này.WGS-84 được thiết lập gắn với Ellipsoid có kích thước như sau:

Bán trục lớn: a=6378137 m, bán trục bé: b=6356752,3 m

Độ dẹt :α=1298,2572

Hình 2.6 Định vị tuyệt đối

Việc đo GNSS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo

là khoảng cách giả từ vệ tinh đến anten máy thu theo nguyên tắc giao hội khônggian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh

Về nguyên tắc, nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu,code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu ta sẽ tính được khoảng cách chínhxác giữa vệ tinh và máy thu, khi đó máy thu chỉ cần thu tín hiệu của 3 vệ tinh thì

ta có thể xác định được tọa độ không gian của máy thu Song trên thực tế cảđồng hồ vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên các khoảng cách đođược không phải là khoảng cách chính xác mà là khoảng cách giả được tính theocông thức (2.4) từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3 phương trình mà bốn ẩn

số (tọa độ vuông góc XYZ hoặc tọa độ mặt cầu BLH của điểm quan sát và sai số

do đồng bộ hồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu ∆ t) do đó không xác định được

vị trí không gian điểm quan sát Để khắc phục tình trạng này cần phải thu tínhiệu đồng thời từ 4 vệ tinh, tức là phải thu thêm tín hiệu của vệ tinh thứ tư Khi

đó, ta lập được hệ phương trình tương ứng 4 cho 4 vệ tinh:

(X 1 -X) 2 +(Y 1 -Y) 2 +(Z 1 -Z) 2 =(R 1 -c ∆ t ) 2

(X 2 -X) 2 +(Y 2 -Y) 2 +(Z 2 -Z) 2 =(R 2 -c ∆ t ) 2(1.8)

(X 3 -X) 2 +(Y 3 -Y) 2 +(Z 3 -Z) 2 =(R 3 -c ∆ t ) 2

(X 4 -X) 2 +(Y 4 -Y) 2 +(Z 4 -Z) 2 =(R 4 -c ∆ t ) 2

Trong đó: Ri là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh thứ i

Xi,Yi,Zi- tọa độ không gian vệ tinh i

X,Y,Z- tọa độ không gian điểm đặt anten

∆ t – sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu

c- vận tốc lan truyền tín hiệu

Vậy bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến bốn vệ tinh

ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn có thể xácđịnh được số hiệu chỉnh vào đồng hồ máy thu Thực tế với hệ thống vệ tinh hoạtđộng đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh quan sát được thường là từ 6 đến 8

vệ tinh, có khi lên tới 10 vệ tinh Khi đó lời giải đa trị sẽ được rút ra theo nguyêntắc số bình phương nhỏ nhất Độ chính xác của phương pháp định vị tuyệt đối là5÷10 m, nếu dùng Ephemeris do chính phủ Mỹ cung cấp thì độ chính xác lênđến 1 m Trên thực tế độ chính xác của phương pháp này chỉ đến 100 m dochính phủ Mỹ dùng hệ thống làm nhiễu SA Để khắc phục nhược điểm nàyngười ta đã đưa ra phương pháp định vị vi phân và định vị tương đối để nângcao độ chính xác

2.5.2 Đo GNSS tương đối (Relative Positioning)

Đo GNSS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GNSS đặt ở 2điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆ X,

∆ Y , ∆ Z¿ hay hiệu tọa độ mặt cầu (∆ B , ∆ L , ∆ H¿ giữa chúng trong hệ tọa độWGS-84

Hình2.7 Định vị tương đối.

Nguyên tắc đo GNSS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đạilượng đo pha sóng tải Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệutọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm xét cần thực hiện quan trắc đồng thời tạihai điểm Người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tảilàm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như sai số của đồng hồ trên

vệ tinh và trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị

Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh J được

đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là Фrj(ti), ta sẽ có sai phân bậc một được lậpnhư sau:

Hình 2.9 Mô Hình sai phân bậc 1.

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh.

Nếu xét 2 trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào thời điểm

ti, ta sẽ có sai phân bậc 2:

Hình 2.10 Mô Hình sai phân bậc 2.

∆2

J,k(ti)= ∆k(ti) -∆J(ti) (1.10)Trong sai phân này, hầu như không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào các thờiđiểm ti, ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:

Hình 2.11 Mô Hình sai phân bậc 3.

vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ có rất nhiều trị đo Lời giải đơntrị sẽ được xử lý theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Có thể thấy rằng nhờ các phương trình sai phân người ta đã loại bỏđược nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị tương đối Vì vậy độ

chính xác định vị tương đối cao hơn nhiều so với định vị tuyệt đối.

1- Phương pháp đo tĩnh (Static Relative Positioning)

Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầucủa công tác trắc địa - địa hình Trong trường hợp này cần có 2 máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là từ một đến vài ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy là 4 để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác địnhđược số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt

độ

chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Trong đo tĩnh, cần lưu ý đến công tác bố trí các ca đo Khoảng thời gianquan trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo Khoảng quan trắc đầu tiêntrong ngày được kí hiệu là DDD0 và tiếp theo là DDD1 Số hiệu ngày DDDđược ký hiệu từ 001 đến 365 ngày (ngày Julian), và như vậy ca đo 1052 chỉ ca

đo thứ 3 trong ngày thứ 105

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:

Độ dài của cạnh đo

Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

Cấu hình vệ tinh

Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu được

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gianquan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đốivới cạnh đo có chiều dài ngắn hơn Bảng 1.3 sau đây kiến nghị khoảng thờigian đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khítượng bình thường

Bảng 2.3

là 15km có thể nhận đựơc kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vịtương đối bằng GNSS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữahai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Nhược điểm chủ yếu của phươngpháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo thườngkhông cao

2- Phương pháp đo động (Kinematic Relative Positioning)

Năm 1985, phương pháp định vị tương đối GNSS động mới được nghiêncứu và phát triển Phương pháp này cho phép đạt độ chính xác vị trí tương đốigiữa trạm cơ sở và trạm động tới centimet và có thể cao hơn Năm 1989, phươngpháp khởi đo trạng thái động OTF (On the fly) được nghiên cứu và áp dụngthành công đã là tiền đề để phát triển kỹ thuật đo động tức thời (RTK) sau này

Các mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba đều chứathông tin của sự thay đổi trong khoảng cách hình học

ρj

B (t)=√(X¿¿j(t)¿¿ ❑ −X B(t))❑ 2

+ ¿ ¿ ¿ ¿ ¿ (1.12)Trong đó vị trí điểm B cần xác định và phụ thuộc vào thời gian t.Trong mô hình toán học này, tại mỗi thời điểm luôn có 3 ẩn số là tọa độđiểm đo Như vậy tổng số ẩn sẽ là 3.nt đối với nt thời điểm Các mối liên hệgiữa số lượng trị quan trắc và số lượng ẩn số với trường hợp này theo môhình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba là:

Sai phân bậc hai: (nj-1) ≥ 3.nt + (nj-1)

Sai phân bậc ba: (nj-1)(nt-1)≥ 3.nt

Việc di chuyển liên tục máy thu động hạn chế khả năng xác định tọa

độ trong một thời điểm Song không một mô hình nào ở trên có thể cho lờigiải đầy đủ với nt=1 Vì vậy, các mô hình cần được cải tiến: số lượng ẩn sốđược giảm bớt nhờ loại bỏ các ẩn số số nguyên đa trị Việc loại bỏ các ẩn sốnày trong sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai đòi hỏi số vệ tinh theo dõitrong mọi thời điểm là:

Sai phân bậc nhất: nj ≥ 4

Sai phân bậc hai: nj ≥ 4

Các sai phân bậc ba có thể được sử dụng nếu tọa độ của máy động đãbiết tại một thời điểm quy chiếu nào đó Trong trường hợp này, hợp lý nhất:(nj-1)(nt-1) ≥ 3.(nt-1)

Ngoài ra cần đảm bảo sai phân bậc ba: nj ≥ 4

Như vậy, trong tất cả các mô hình, yêu cầu cơ bản là phải quan trắcđồng thời ít nhất 4 vệ tinh

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạtđiểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong mộtvài phút Theo phương pháp này, cần có ít nhất hai máy thu Để xác định sốnguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lênhai điểm đã biết toạ độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên

để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp trong suốt cảchu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu thời điểm đo không phải là một tiếngđồng hồ như trong đo tĩnh nữa mà chỉ còn một vài phút trong phương pháp này

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy vàcho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này gọi làmáy cố định ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai cho thu tín hiệu đồngthời với máy thu thứ nhất trong vòng một phút Việc làm này gọi là khởi đo(initialization), máy thứ hai được gọi là máy di động Tiếp đó cho máy di độnglần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín

hiệu trong một phút, cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy

để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tạiđiểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy diđộng phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốtchu kỳ đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để xảy ratình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hànhkhởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập

dự phòng trên tuyến đo

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị không thua kém

so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổchức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh

2.5.3 Đo GNSS vi phân DGNSS (Differential- GNSS)

Theo phương pháp này cần có một máy thu GNSS có khả năng phát tínhiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (thường gọi là máy cố định),đồng thời có một máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, có thể

là điểm cố định trên bề mặt đất hay điểm di động như máy bay, ô tô, tàu thủy…

Cả máy cố định và máy di động cần thiết thu tín hiệu đồng thời từ các vệ tinh nhưnhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của máy cốđịnh và máy di động đều bị sai lệch Độ sai lệch này được xác định dựa trên cơ sở

so sánh tọa độ tính được theo tín hiệu đã thu và tọa độ sẵn có của máy cố định và

từ đó có thể coi là độ sai lệch tọa độ với máy di động Nó được máy cố định phát

đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận và hiệu chỉnh kết quả xác định tọa

độ của máy

Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ người ta còn tiến hành hiệu chỉnh chokhoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách này đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạophức tạp và tốn kém hơn nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ động, linhhoạt hơn

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định và

phát, chuyển nhanh với tần số cao Chẳng hạn, để cho khoảng cách từ vệ tinh đếnmáy thu được hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5 m, số hiệu chỉnh phải được phátchuyển với tần số 15 giây/1 lần Cũng với lý do này phạm vi hoạt động của mộtmáy thu cố định rất hạn chế với bán kính khoảng 50 đến 70 km Người ta đã xâydựng các hệ thống GNSS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GNSS vi phângồm một trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay đạidương với độ chính xác cỡ 10 m Phương pháp định vị GNSS vi phân có thể đảmbảo độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét hoặc hơn thế nữa, tới deximet ứng vớitầm hoạt động cỡ vài chục km.

Hệ thống truyền phát số cải chính đóng vai trò quan trọng trong hệ thốngđịnh vị vi phân Đây là hệ thống hỗ trợ mặt đất trong đo DGNSS Một số quốc giahay khu vực đã xây dựng hệ thống này như hệ thống tăng cường diện rộng WAAScủa Mỹ, hệ thống đạo hàng địa tĩnh phủ trùm Châu Âu EGNOS của Châu Âu và

hệ thống tăng cường đa năng MSAS của Nhật Bản

Kỹ thuật định vị vi phân GNSS về cơ bản có thể chia làm 2 loại là GNSS viphân cục bộ (diện hẹp) và GNSS vi phân diện rộng Đặc điểm của kỹ thuật GNSS

vi phân diện hẹp là cung cấp cho người sử dụng GNSS vi phân tổng hợp số cảichính cho trị đo chứ không cung cấp số cải chính cho từng nguồn sai số Phạm vitác dụng của nó khá hẹp trong vòng 150 km Còn đặc điểm của kỹ thuật GNSS viphân diện rộng là tính riêng từng nguồn sai số chủ yếu trong định vị GNSS vàphát tín hiệu vi phân cho người sử dụng, phạm vi tác dụng của nó tương đối lớn,thường trên 1000 km

Định vị vi phân được phân thành 3 kiểu:

Định vị GNSS vi phân diện hẹp

Định vị GNSS vi phân diện rộng

Định vị GNSS vi phân tăng cường

Bảng 2.4 Bảng tổng hợp mới nhất về các kỹ thuật đo GPS/GNSS.

Kiểu đo

Số vệ tinh tối thiểu

Thời gian

đo tối thiểu Độ chính xác đạt được Các đặc trưng khác

Đo tĩnh (Static) 4 1 giờ - 1 tần số: 5mm+1ppm

- 2 tần số:

5mm+0.5ppm

- Máy 1 tần cho đcx tốt nhất <10km

- Không hạn chế khoảng cách với máy 2 tấn số.

Đo tĩnh nhanh

(Fast Static)

4 8’-30’ 5-10mm+1ppm

phụ thuộc thời gian đo

Các thủ tục đo như với

Đo động thời

gian thực (GPS/

GNSS – RTK)

4 1 trị đo 1cm+1ppm -Khoảng cách đo phụ

thuộc vào RadioLink,

- Cần khởi đo trên điểm biết toạ độ hoặc

đo tĩnh nhanh Đo

DGPS/GNSS xử

lý sau

(PPK

-DGPS/GNSS)

4 2 trị đo - 0.5m với máy

thu Everest, Maxwel

4 1 trị đo - 0.2m với máy thu

Everest, Maxwel với 5VT, PDOP<4

- 1-3m với máy thu khác cùng ĐK

-Cần Radio truyền sóng, không cần thu vệ tinh liên tục

2.6 Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh

Định vị GNSS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không giancác khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có tọa độ đã biết Khoảngcách đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không giangiữa vệ tinh và máy thu Vì vậy kết quả đo chịu nhiều ảnh hưởng của các sai sốcủa vệ tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và một số nguồn sai

số khác

Các nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnhhưởng đến kết quả đo GNSS

2.6.1 Sai số đồng hồ (Clock Error)

Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự khôngđồng bộ giữa chúng Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác caonhưng không phải là hoàn toàn không có sai số Độ ổn định của chúng đạt cỡ2.1013 trong khoảng thời gian một ngày, nghĩa là nó gây nên sai số khoảng cách

cỡ 2,59-5,18 m trong mỗi ngày Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫunhiên rất nhiều, nhưng cũng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do

đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác đồng

hồ Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh hưởng củasai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như nhau

Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh Cùng một máy thu, khi quan trắcđồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau đối vớicác trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ máy thu có thể coi là độc lập với nhau

Biết rằng vận tốc truyền tín hiệu sấp xỉ 3.108m/s, do đó nếu đồng hồ thạch anh

có sai số là 10-4 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30000m Nếu đồng hồnguyên tử có sai số là 10-7 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30m

Trong định vị GNSS tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1,2,3 có thể loạitrừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo

2.6.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Do sự thay đổi trọng trường của trái đất, sức hút của mặt trăng, mặt trời, vàcác thiên thể khác, áp lực bức xạ mặt trời… tác động lên vệ tinh nên chuyển động

của vệ tinh trên quỹ đạo của nó không hoàn toàn tuân theo định luật kepler Đó lànguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh, sai số này ảnh hưởng đáng kể đếnkết quả định vị tuyệt đối, song lại khắc phục cơ bản trong định vị tương đối vàđịnh vị vi phân.

Trong định vị GNSS cần phải sử dụng lịch qũy đạo vệ tinh (Ephemerit).Nhờ các trạm điều khiển của hệ thống GNSS, quan sát liên tục với độ chính xáccao để xác định mô hình chuyển động của vệ tinh và đưa ra lịch dự báo, gọi làlịch vệ tinh quảng bá Lịch vệ tinh quảng bá cung cấp cho khách hàng đại trà sửdụng bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GNSS Lịch vệ tinh này cho phép xácđịnh vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20-100m (do BỘ quốc phòng

Mỹ thông qua cơ chế SA cố tình khống chế độ chính xác của Ephemerit vệ tinh)

Độ chính xác này đủ đáp ứng các yêu cầu đo đạc thông dụng nhưng nhìn chungkhông đáp ứng các ứng dụng chính xác cao nhưng trong nghiên cứu địa động lực

Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (PreciseEphemerit) Lịch vệ tinh này được xác định từ kết quả hậu xử lý số liệu quan sát ởcác thời điểm trong khoảng thời gian quan sát, có độ chính xác xác định vệ tinh

cỡ 10-50m Nói chung sai số của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹnđến độ chínhxác tọa độ điểm quan sát đơn nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định

vị tương đối

2.6.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Ảnh hưởng tầng điện ly và tầng đối lưu đến tín hiệu vệ tinh cho đến nayvẫn là thách thức chủ yếu Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km vàtầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km Khi tín hiệu truyền từ vệ tinh với độcao khoảng 20.200km đi qua tầng điện ly, tầng đối lưu đến máy thu đặt trên tráiđất, nó bị khúc xạ và thay đổi tốc độ truyền tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly

và tầng đối lưu gây nên gọi là độ trễ Cả hai đều gây nên sai số hệ thống

Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần sốtín hiệu vệ tinh, độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo thời gian Ngoài

ra như đã rõ, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong

đổi theo các yếu tố sau:

Vị trí địa lý nơi đo: mật độ electron tối thiểu ở vùng độ vĩ trung bình và caohơn ở hai cực và vùng xích đạo

Thời gian trong ngày: mật độ electron đạt cực đại vào sáng sớm và cực tiểuvào nửa đêm theo giờ địa phương

Thời gian trong năm: mật độ electron vào mùa đông cao hơn mùa hè

Năm trong kỳ 11 năm hoạt động đốt nóng của mặt trời với một cực đại vàmột cực tiểu

Khi tiến hành đo vào khoảng thời gian chung quanh cực tiểu, nhiễu xạ tầngion sẽ nhỏ và do đó chất lượng đo đảm bảo ngược lại, nếu đo vào thời gian đỉnhđiểm của chu kỳ thì ảnh hưởng của tầng điện ly là rất đáng kể, nhất là đối với cácquốc gia ở gần xích đạo như Việt Nam, ảnh hưởng của tầng điện ly được loại bỏtầng đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số L1 và L2 khác nhau Tuy nhiên, máythu loại này giá thành cao và nó chưa hẳn đã hoàn toàn tin cậy khi nhận các tínhiệu từ các vệ tinh ở ngưỡng thấp và khi chế định đánh lừa SA được kích hoạt

Do đó cần lưu ý khi đặt ngưỡng cao cho máy thu Kinh nghiệm cho thấy rằng,nên sử dụng máy thu hai tần khi đo các cạnh dài trên 20km

Các phân tích về ảnh hưởng của tầng điện ly đã cung cấp một số lựa chọn sau:Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do độ trễ điện ly sẽ làm cho việc khắc phụctrượt chu kỳ và do đó việc tìm lời giải cho tham số số nguyên đa trị khó khăn hơnđối với chiều dài cạnh đo lớn

Tiến hành đo vào ban đêm là lúc ảnh hưởng này tối thiểu

Sử dụng mô hình dự báo độ trễ tầng điện ly trong thông điệp đạo hàngquảng bá sẽ làm tăng gần 50% độ chính xác định vị

Sử dụng máy đo hai tần số sẽ cho phép loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly.Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm nhỏ được ảnh hưởngcủa sai số độ trễ điện ly khoảng 1-2mm do sự tương quan giữa chúng trong chiềudài cạnh ngắn và trung bình

Ngày nay, bên cạnh việc hoàn thiện máy thu và anten, người ta đặc biệtquan tâm tới việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ trễ ion không chỉ trong số liệu

đo bằng máy thu một tần và cả đối với máy thu hai tần Ảnh hưởng của tầng đốilưu (nằm cách mặt đất từ 0-70km) mà cụ thể là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ

ẩm không khí gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến cả mãcode lẫn pha sóng tải đều chịu ảnh hưởng cùng độ trễ Độ trễ này phụ thuộc vàogóc ngưỡng của vệ tinh, nó cực tiểu (cỡ 2.3m) khi vệ tinh ở thiên đỉnh, đạt 9,3mkhi vệ tinh ở góc ngưỡng 150 và 20-28m ở góc ngưỡng cao 50

Độ trễ tầng đối lưu có thể chia làm hai thành phần: khô và ướt Thamhfphần khô gây nên 90% tổng độ trễ, nó có thể được mô hình hóa bằng hàm bậc cao

để hiệu chỉnh trong quá trình sử lý Thành phần ướt gây nên 10% độ trễ còn lại,

nó phụ thuộc vào độ ẩm dọc đường truyền GNSS Ta không xác định được ảnhhưởng này như đối với phần khô May mắn là nó liên quan yếu đến các dữ liệukhí tượng, do đó, ngày nay ta có thể sử dụng dữ liệu khí tượng chuẩn (áp suấtkhông khí 1010mb, nhiệt độ 200C và độ ẩm không khí là 50%) trong các mô hìnhkhí tượng thay vì các số liệu đo thực tế (trong điều kiện của chúng ta, việc đo cácyếu tố này không thật chính xác) mà vẫn đạt được kết quả thỏa mãn trong đa sốtrường hợp

Nhìn chung, độ trễ tầng đối lưu được xem là tương tự nhau đối với haiđiểm đo cách nhau dưới vài ba chục cây số và với độ chênh cao địa hình khôngđáng kể, trong trường hợp này nó được giảm thiểu trong gia số tọa độ giữa haiđiểm đo Cần lưu ý rằng ảnh hưởng này không phụ thuộc vào tần số, nghĩa là nótác động như nhau đến số liệu đo thu bằng máy một tần cũng như thu bằng máyhai tần Tuy nhiên, đối với số liệu đo cả hai tần, có thể tạo nên phương trình kếthợp để loại bỏ sai số đó

2.6.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips)

Điểm quan trọng nhất khi đo GNSS là phải thu được tín hiệu ít nhất từ 4 vệtinh tức là phải có tầm nhìn thông đến các vệ tinh đó

Tín hiệu GNSS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên quamây mù, song không thể truyền qua được lá cây hoặc các vật che chắn Do vậytầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đoGNSS xây dựng các mạng lưới khống chế tọa độ

tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợpnhay cả vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trườnghợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm đượckhiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị Do đó cầnphải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GNSS Một số máy thu

có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý sốliệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GNSS có thể dùng sai phân bậc ba đểnhận biết và sử lý trượt chu kỳ

2.6.5 Sai số do phản xạ đa đường dẫn (Multipath)

Những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bềmặt phản xạ nào đó rồi mới đến máy thu Như vậy, kết quả đo không đúng Ảnhhưởng này không như nhau tại mỗi điểm đo và thông thường nó không có tínhtương quan giữ các điểm đo Cho nên nó không bị thay đổi hay giảm thiểu thôngqua việc sử dụng các sai phân như các sai số kể trên, nó cũng rất khó mô hìnhhóa Tuy nhiên có thể giảm sai số này thông qua các giải pháp công nghệ nângcao chất lượng anten (như công nghệ Chokening, lắp thêm vành chống nhiễu xạ)hay áp dụng một số giải pháp công nghệ trong chế tạo máy thu, ngoài ra thiết thựcnhất với người sử dụng là thông qua việc chọn điểm đo có độ thông thoáng tốtngoài thực địa và việc chọn ngưỡng cao thích hợp (thông thường 150) khi đặtthông số đo cho máy thu Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khả năngphản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dâyđiện, mái nhà kim loại…

2.6.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình vệ tinh

Ta biết việc định vị GNSS là việc giải bài toán giao hội nghịch không giandựa vào các điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máythu.Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu GNSS là vệ tinh cần phải có sự phân bốhình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinhgọi là hệ số phân tán độ chính xác – hệ số DOP (Delution of Precision) Chỉ sốDOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máythu Chỉ số DOP chia ra các loại:

PDOP- chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP)

TDOP- chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Time DOP)

HDOP- chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP)

VDOP- chỉ số phân tán độ chính xác về độ cao ( Vertical DOP)

GDOP- chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2,5với xác xuất 90% thời gian Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP<6

2.6.7 Sai số tâm pha của anten

Như đã biết, anten nhận tín hiệu từ vệ tinh đến và chuyển đổi năng lượngthành công dòng điện để chuyển vào máy thu Điểm mà tín hiệu GNSS được tiếpnhận gọi là tâm pha anten Các trị đo khoảng cách được tính vào thời điểm này.Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với các công tác trắc địa Nhìn chung, tâmpha anten không trùng với tâm vật lý (hình học) của anten Độ lệch này thay đổitùy thuộc vào góc ngưỡng nhận tín hiệu, phương vị của vệ tinh phát tín hiệuxuống cũng như cường độ của tín hiệu Mức độ sai số này tùy thuộc vào loạianten Khi sử dụng anten cùng loại và các anten được định hướng như nhau (ví dụnhư về hướng bắc như vẫn dùng) thì sai số này được giảm thiểu Đã có nhữngcông bố kết quả khảo sát sai số tâm anten cho từng loại và có thể cập nhật chúngvào phần mềm để hiệu chỉnh ảnh hưởng này một cách triệt để

2.6.8 Các sai số do người đo

Khi đo GNSS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâmmốc điểm đo theo đường dây dọi Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốcđến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác Đo chiều cao anten khôngđúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo GNSS Ngay cả khi xác định tọa

độ phẳng đo độ cao cũng quan trọng vì GNSS là hệ thống định vị 3 chiều, sai sốchiều cao sẽ lan truyền sang sai số mặt phẳng và ngược lại

Một loại sai số khác nữa là nhiễu trong trị đo GNSS Nguyên nhân là dophần mạch điện tử và sự suy giảm độ chính xác của máy thu Các thiết bị mới hiệnđại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn Ngoài các nguồn sai số chủ yếu trên đây còn

có các nguồn sai số khác như sai số do ảnh hưởng của sự xoay trái đất, do hiệu ứng

của thuyết tương đối, sai số vị trí của máy thu Trong định vị chính xác cao cầnphải xem xét và tìm biện pháp làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số này Cácnguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong bảng 1.3 dưới đây.

Bảng 2.5

1 Phụ thuộc vệ tinh

2 Phụ thuộc đường tín hiệu

3 Phụ thuộc máy thu

2.7 Lựa chọn phương pháp đo GNSS xây dựng lưới không chế mặt bằng mỏ

lộ thiên

2.7.1 Khái niệm về mạng lưới GNSS

Lưới khống chế GNSS là mạng lưới khống chế trắc địa không gian đượcxây dựng trên hệ thống tọa độ WGS-84 (World Geodetic System-84), nói chungkhông khác nhiều với mạng lưới truyền thống (lưới tam giác, đa giác…) Lướikhống chế GNSS gồm các điểm được trôn trên mặt đất hoặc bố trí trên đỉnh cáccông trình vững chắc, kiên cố (sân thượng nhà cao tầng) Các điểm của lưới đượcliên kết với nhau bằng các trị đo cạnh và phương vị Các trị đo được đo trong cácthời đoạn đo (Session) với thời gian thu tín hiệu được quy định để đảm bảo độchính xác đo cạnh theo yêu cầu của mạng lưới GNSS, nhờ đó chúng ta sẽ tínhtoán xác định tọa độ, độ cao của các điểm trong hệ thống độ cao thống nhất