Đánh giá độ chính xác của phương pháp đo gnss ppk đa trạm base trong công tác trắc địa bản đồ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VÕ MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO GNSS PPK ĐA TRẠM BASE TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VÕ MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO GNSS PPK ĐA TRẠM BASE TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ Mã số: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Dương Thành Trung Hà Nội – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2018 Tác giả Võ Minh Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1.1 SỰ HÌNH THÀNH CỦA HỆ THỐNG GPS 1.2 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG GPS 1.2.1 Đoạn không gian 1.2.2 Đoạn điều khiển 1.2.3 Đoạn sử dụng 1.3 CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐO GPS 1.3.1 Trị đo khoảng cách giả 1.3.2 Trị đo pha sóng tải 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO GPS 10 1.4.1 Đo GPS tuyệt đối 10 1.4.2 Đo GPS tƣơng đối 12 1.5 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS 18 1.5.1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh 19 1.5.2 Sai số phụ thuộc vào mơi trƣờng lan truyền tín hiệu………………….21 1.5.3 Sai số liên quan đến máy thu………………………………………… 22 CHƢƠNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ ĐIỂM TRONG GNSS 25 2.1 XỬ LÝ SỐ LIỆU GNSS 25 2.1.1 Định dạng RINEX 26 2.1.2 Định dạng NGS-SP3 31 iii 2.1.3 Định dạng tệp file RTCM SC-104 dịch vụ DGPS 33 2.1.4 Định dạng file NMEA 0183 36 2.2 XỬ LÝ CÁC NGUỒN SAI SỐ 38 2.2.1 Ảnh hƣởng tầng điện ly 38 2.2.2 Ảnh hƣởng tầng đối lƣu 39 2.3 GIẢI BÀI TOÁN TƢƠNG ĐỐI ĐỘNG 42 2.4 ĐINH VI TƢƠNG ĐỐI ĐỘNG VƠI NHIÊU TRAM BASE 45 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 47 3.1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TÁC THỰC NGHIỆM 47 3.2 THIẾT BỊ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 47 3.3 PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU PPK 48 3.4 CHI TIẾT VỀ CÔNG TÁC THỰC NGHIỆM 49 49 3.4.2 So sánh độ xác đo từ hai trạm Base với trạm Base đơn 50 52 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Độ xác đo khoảng cách giả sóng tải Bảng 1.2: Thời gian đo kiến nghị 15 Bảng 1.3: Các nguồn sai số định vị vệ tinh 18 Bảng 1.4: Mức độ ảnh hƣởng nhiễu máy thu đến tín hiệu GPS 24 Bảng 2.2: Ví dụ file đạo hàng GPS 29 Bảng 2.3: Lịch tuần vệ tinh 30 Bảng 2.4: Ví dụ file khí tƣợng RINEX 30 Bảng 2.5: Ví dụ khu vực tiêu đề file SP3 32 Bảng 2.6: Ví dụ khu vực tiêu đề file SP3 33 Bảng 2.7: Những dạng thông điệp RTCM hành 35 Bảng 2.8: Cấu trúc chung câu GGA 37 Bảng 2.9: Giải thích thuật ngữ ký hiệu câu GGA 37 Bảng 3.1: Kết tọa độ điểm chuẩn 50 Bảng 3.2: Kết 51 Bảng 3.3: Kết ạm Base trạm Base đơn 51 Bảng 3.4: Bả Bảng 3.6: Kết ới số liệu chuẩn 52 53 sai số hệ thống 54 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Chuyển động vệ tinh quỹ đạo Hình 1.2: Vị trí trạm đoạn điều khiển hệ thống GPS Hình 1.3: Máy thu GPS cầm tay Hình 1.4: Dẫn đƣờng xe tơ GPS Hình 1.5: Sai phân bậc 12 Hình 1.6: Sai phân bậc hai 13 Hình 1.7: Sai phân bậc ba 13 Hình 2.1: Sơ đồ khối mô đun phần mềm đọc xử lý liệu GPS 25 Hình 3.1: Ainav-RTK 48 Hình 3.2: Giao diện phần mềm xử lý số liệu tích hợp INS/GPS48 Và giao diện module xử lý số liệu INS/GPS 48 Hình 3.3: Giao diện tích hợp lỏng xử lý số liệu tích hợp INS/GPS 49 Hình 3.4: Giao diện xử lý số liệu GPS 49 Hình 3.5: Sơ đồ vị trí khu vực thực nghiệm 50 Hình 3.6: Sơ đồ tuyến đo 53 54 sai số hệ thống 55 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT C/A: Coarse/Acquisition CORS: Continuosly Operating Reference Stations DGPS: Differential Global Positioning System FKP: Flächen Korrektur Parameter GDOP: Geometry Dilution of Precision GLONASS Global Orbiting Navigation Satellite System GNSS: Global Navigation Satellite System GPRS: General Packet Radio Service GPS: Global Positioning System HDOP: Horizotal Dilution of Precision IGS: International GPS Service IP: Internet Protocol IRNSS: Indian Regional Navigation Satellite System MAC: Master Auxiliary Corrections P code: Precision code PDOP: Position Dilution of Precision PPK Post-processed Kinematic RTK Real Time Kinematic SA Selective Availability TDOP Time Dilution of Precision VDOP Vertical Dilution of Precision VRS Virtual Reference Station WAN Wide area network WGS-84 World Geodetic System 1984 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày công nghệ GNSS đƣợc sử dụng rộng rãi công tác Trắc địa đồ, từ công tác thành lập lƣới khống chế công tác đo chi tiết để thành lập loại đồ địa hình, địa Phƣơng pháp đo RTK với độ xác cỡ cm cung cấp lời giải GNSS thời gian thực đƣợc áp dụng cách phổ biến việc thu thập liệu đo chi tiết Tuy RTK có hạn chế định nhƣ hạn chế khoảng cách chuyền tín hiệu liên tục từ trạm sở (trạm Base) đến trạm đo đạc (Rover) Trong đó, phƣơng pháp đo động xử lý sau (PPK) khắc phục vấn đề phƣơng pháp RTK Tuy nhiên phƣơng pháp PPK có hạn chế khơng kiểm sốt đƣợc độ xác định vị thời điểm đo đạc Để nâng cao độ xác đo đạc phƣơng pháp PPK, đề xuất phƣơng pháp đo xử lý số liệu đo PPK với nhiều trạm Base Vì vậy, đề tài “Đánh giá độ xác phương pháp đo GNSS PPK đa trạm Base công tác Trắc địa-Bản đồ” cần thiết để làm rõ khả sử dụng hiệu đạt độ xác cao phƣơng pháp công tác Trắc địa đồ Mục đích đề tài Đánh giá đƣợc độ xác khả ứng dụng phƣơng pháp đo GNSS PPK sử dụng nhiều trạm Base công tác trắc địa đồ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Bài toán định vị tƣơng đối động xử lý sau, phần mềm RTKlib, IGNAV, máy thu GNSS bao gồm: Leica CORS, Ainav-RTK Phạm vi nghiên cứu: Khu vực Hà Nội, Hƣng Yên 43 Giả sử thời điểm t, hai máy thu A B thu đƣợc tín hiệu vệ tinh giống số ẩn số cần phải xác định trƣờng hợp + (n-1) Nhƣ vậy, giải phƣơng trình (2.25) với thời điểm mà sử dụng đơn trị đo pha sóng tải Nếu biết tọa độ điểm động, xác định đƣợc (n – 1) nghiệm hiệu số nguyên đa trị bậc phƣơng trình (2.25) Nhƣ vậy, với véc tơ cạnh khởi đầu biết, xác định đƣợc hiệu số nguyên đa trị bậc hai để sử dụng để giải toán định vị tƣơng đối cho thời điểm sau trƣờng hợp không xảy tƣợng trƣợt chu kỳ số vệ tinh quan sát chung tối thiểu Việc xác định hiệu số nguyên đa trị ban đầu nhƣ đƣợc gọi khởi đo Để giải toán định vị tƣơng đối động, sau trình bày phƣơng pháp giải toán định vị tƣơng đối động sử dụng kết hợp trị đo mã trị đo pha Phƣơng trình sai phân bậc trị đo pha đƣợc viết nhƣ sau: (2.26) Tƣơng tự, phƣơng trình sai phân bậc trị đo mã đƣợc viết nhƣ phƣơng trình (2.27): k l ρkl ru = -(1r - 1r )x ru + ε P (2.27) Phƣơng trình sai phân bậc hai thời điểm đƣợc viết nhƣ sau: (2.28) Với Lklru = λf rukl , m = n - 1, n số vệ tinh quan sát đƣợc thời điểm xét Trong tính tốn thực nghiệm, khơng có tƣợng trƣợt chu kỳ, sử dụng phép lọc Kalman để giải (2.28) Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, mơ hình trạng thái đƣợc biểu diễn nhƣ sau: 44 (2.29) x k = Fx k-1 + Bu + w Và mơ hình trị đo tƣơng ứng là: (2.30) z k = Hx k + n Trong đó: x k = x ru B= zk = I3x3 Lklru ρkl ru N kl ru ; 03x3 u = x ru(k) 0mx1 m+3 ; Imxm F= T H= ; (1lr - 1kr )mx3 λImxm (1lr - 1kr )mx3 0 I mxm T (2.31) (2.32) (2.33) Với x ru(k) véc tơ cạnh ƣớc tính đƣợc theo phƣơng trình (2.27) Dựa vào mơ hình nhƣ trên, lời giải nghiệm thực (2.28) đƣợc ƣớc tính nhƣ sau: Xác định tiên nghiệm: x-1 k = F x k-1 + Bu (2.34) Pk- = FPk-1FT + Q (2.35) Trong đó: Q = E ww T = δr 2I3x3 0 0mxm (2.36) Trong đó: δr = r - r hiệu lời giải cố định lời giải thực bƣớc tính trƣớc Cập nhật nghiệm: x = x-k + K(zk - Hx -k ) Pk = (I - KH)PkTrong đó: K = Pk-1HTS-1 (2.37) (2.38) (2.39) 45 S = HPk-1HT + R R = E nn T (2.40) = ζ Imxm 0 δr 2I mxm (2.41) ζ sai số trị đo pha TƢƠNG ĐỐI ĐỘNG 2.4 (Rover) a) mp=a+b.S ppm -Rover - b) 46 x1 P1 x2 P2 xn Pn (2.42) (2.43) 47 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TÁC THỰC NGHIỆM quận huyện 3.2 THIẾT BỊ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM AiNav-RTK mộ ty Aitogy.,JSC - Ainav-RTK có hai dịng Ainav-Base Ainav-Rover, hoạt động với chế Base-Rover để vận hành định vị RTK thông qua thiết bị thuphát radio Ainav-Base Ainav-Rover đƣợc sử dụng nhƣ máy thu Rover RTK kết nối với trạm tham chiếu thƣờng trực (CORS) thông qua giao thức kết nối 3G 4G để vận hành chế độ đo RTK phạm vi rộng lớ 3.1) c PPK 48 Hình 3.1: Ainav-RTK 3.3 PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU PPK Hệ thống phần mềm xử lý đƣợc thiết kế nhằm mục đích xử lý số liệu tích hợp INS/GPS hiển thị kết ần mề - Xử lý số liệu tích hợp INS/GPS; - Xử lý số liệu GPS đo động; - Hiển thị trình bày kết xử lý Hình 3.2: Giao diện phần mềm xử lý số liệu tích hợp INS/GPS Và giao diện module xử lý số liệu INS/GPS 49 Hình 3.3: Giao diện tích hợp lỏng xử lý số liệu tích hợp INS/GPS Hình 3.4: Giao diện xử lý số liệu GPS 3.4 CHI TIẾT VỀ CƠNG TÁC THỰC NGHIỆM 3.4.1 50 : Hình 3.5: Sơ đồ vị trí khu vực thực nghiệm Bảng 3.1: Kết tọa độ điểm chuẩn Tọa độ, Độ cao STT Sai số vị trí điểm Số hiệu điểm x(m) y(m) h(m) mx(m) my(m) 2332590.893 581018.697 8.104 mh(m) mp(m) 4548 DHMDC 2331091.381 580178.107 27.915 0.001 0.001 0.004 0.001 GPS-C 2329985.972 581381.351 6.759 0.001 0.001 0.004 0.001 GPS-D 2330690.946 581501.441 8.318 0.001 0.001 0.005 0.001 GPS-O 2330574.866 582444.075 7.232 0.001 0.001 0.004 0.001 GPS-E 2330440.992 581632.527 7.255 0.001 0.001 0.006 0.001 DC-43 2337324.461 579767.8355 11.0854 3.4.2 So sánh độ xác đo từ hai trạm Base với trạm Base đơn 51 Bảng 3.2: Kết Base DHMDC GPS-C GPS-D GPS-O GPS-E DC-43 KC Base 4548 mx my mz md mx -0.032 0.041 -0.023 0.022 -0.033 0.056 0.008 0.021 0.014 -0.008 -0.045 -0.034 -0.034 -0.04 0.08 -0.04 -0.025 -0.07 0.047 0.061 0.084 0.046 0.061 0.096 -0.044 0.053 -0.035 0.041 -0.038 0.058 my Base mz 0.016 -0.07 0.042 -0.06 0.026 -0.024 -0.012 -0.05 -0.035 -0.04 -0.044 -0.06 2-5 md mx my mz md 0.084 0.090 0.050 0.066 0.065 0.094 -0.025 0.035 -0.02 0.018 -0.035 0.026 0.017 0.019 0.015 -0.007 -0.026 -0.042 -0.03 0.018 -0.06 -0.01 -0.063 -0.068 0.043 0.044 0.065 0.022 0.077 0.084 : Bảng 3.3: Kết GPS-C GPS-D GPS-O GPS-E DC-43 KIM CHUNG md-Base DHMDC 0.047 0.061 0.084 0.046 0.061 0.096 ạm Base trạm Base đơn md-2 Base 0.04259 0.04370 0.06500 0.02175 0.07662 0.08405 delta_md 0.00478 0.01730 0.01941 0.02460 -0.01547 0.01183 10 28 23 53 -25 12 52 3.4.3 RTK 3.4: đo RTK so với số liệu chuẩn Bả 4548 DHMDC GPS-C GPS-D GPS-O GPS-E DC-43 KIMCHUNG X(m) Y(m) H(m) mx my mz md 2332590.899 2331091.381 2329985.952 2330690.954 2330574.863 2330440.994 2337324.461 2337529.735 581018.683 580178.107 581381.357 581501.452 582444.076 581632.519 579767.836 580644.682 8.125 27.92 6.765 8.348 7.232 7.267 9.685 9.038 0.006 -0.014 0.021 0.026 -0.020 0.008 -0.003 0.002 -0.021 0.006 0.006 0.011 0.001 -0.008 -0.005 -0.034 0.006 0.030 0.000 0.012 0.023 0.005 0.022 0.033 0.003 0.014 0.032 0.035 3.4.4 ) 53 Hình 3.6: Sơ đồ tuyến đo 10 Bả Time mx my mH 134075 0.038 0.035 -0.148 134076 0.038 0.033 -0.153 134077 0.039 0.034 -0.152 134078 0.038 0.034 -0.152 134079 0.040 0.034 -0.149 134080 0.038 0.031 -0.155 134081 0.039 0.033 -0.142 134082 0.040 0.032 -0.156 134083 0.038 0.030 -0.153 134084 0.038 0.035 -0.150 134085 0.038 0.034 -0.145 134086 0.039 0.035 -0.145 134087 0.038 0.034 -0.148 134088 0.038 0.039 -0.143 54 134089 0.038 0.035 -0.151 134090 0.038 0.033 -0.148 134091 0.038 0.034 -0.151 … … … … -0.007 -0.007 -0.118 0.062 0.081 0.050 0.078 0.070 0.246 Đ Max 0.300 0.200 Sai 0.100 0.000 134000.000134100.000134200.000134300.000134400.000134500.000134600.000 -0.100 mx -0.200 my -0.300 mH -0.400 -0.500 -0.600 i gian GPS(s) g 3.6 sai số hệ thống Bảng 3.6: Kết Time 134075.000 134076.000 134077.000 134078.000 134079.000 3.8: mx 0.038 0.038 0.039 0.038 0.040 my 0.035 0.033 0.034 0.034 0.034 mH -0.038 -0.043 -0.042 -0.042 -0.039 55 134080.000 134081.000 134082.000 134083.000 134084.000 134085.000 134086.000 134087.000 134088.000 134089.000 134090.000 134091.000 … Max 0.038 0.039 0.040 0.038 0.038 0.038 0.039 0.038 0.038 0.038 0.038 0.038 … -0.007 0.062 0.081 0.031 0.033 0.032 0.030 0.035 0.034 0.035 0.034 0.039 0.035 0.033 0.034 … -0.007 0.050 0.078 -0.045 -0.032 -0.046 -0.043 -0.040 -0.035 -0.035 -0.038 -0.033 -0.041 -0.038 -0.041 -0.008 0.070 0.356 0.500 0.400 0.300 Sai (m) 0.200 0.100 mx 0.000 134000.000 134100.000 134200.000 134300.000 134400.000 134500.000 134600.000 -0.100 my -0.200 mH -0.300 -0.400 -0.500 i gian GPS sau khử sai số hệ thống 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ kết nghiên cứu, rút số kết luận sau: ứ - đo GPS/GNSS đơn - Các kết phân tích Base đơn - - - Kiến nghị CORS cho thấy 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đặng Nam Chinh (2003), Bài giảng bình sai lưới Giáo trình Trắc địa cao cấp, Đại học Mỏ - Địa chất Năm 2003 Phạm Trung Dũng (2013), Báo cáo học thuật môn Trắc địa Công trình, Trƣờng Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội Đỗ Ngọc Đƣờng (1996), Cơ sở trắc địa vệ tinh, Trƣờng Đại học Mỏ Địa chất Hà Nội Trần Khánh (2010), Ứng dụng công nghệ trắc địa cơng trình, Nxb Giao thơng vận tải Nguyễn Hạnh Quyên nnk (2011), Nghiên cứu đề xuất ứng dụng cơng nghệ GPS độ xác cao việc xác định độ dịch chuyển cơng trình xây dựng ven bờ, Viện công nghệ vũ trụ, viện Khoa học công nghệ Việt Nam TCVN 9401:2012, Tiêu chuẩn kỹ thuật đo xử lý số liệu GPS trắc địa cơng trình Dƣơng Thành Trung (2017), Hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GNSS ứng dụng, Nhà xuất Tài nguyên-Môi trƣờng Bản đồ Việt Nam, tháng 7/2017 Kaplan, E (ed) (1996), Understanding GPS Principles and Applications, Artech House ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VÕ MINH TUẤN ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO GNSS PPK ĐA TRẠM BASE TRONG CÔNG TÁC TRẮC ĐỊA – BẢN ĐỒ Ngành: Kỹ thuật trắc địa - đồ. .. đo đạc phƣơng pháp PPK, đề xuất phƣơng pháp đo xử lý số liệu đo PPK với nhiều trạm Base Vì vậy, đề tài ? ?Đánh giá độ xác phương pháp đo GNSS PPK đa trạm Base công tác Trắc địa- Bản đồ? ?? cần thiết... sử dụng hiệu đạt độ xác cao phƣơng pháp công tác Trắc địa đồ Mục đích đề tài Đánh giá đƣợc độ xác khả ứng dụng phƣơng pháp đo GNSS PPK sử dụng nhiều trạm Base công tác trắc địa đồ Đối tƣợng phạm