Ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng và công nghệ

Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lưới chặt chẽ, công nghệ vệ tinh có tiềm năng đạt được độ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới, đáp ứng được nhiề

DƯƠNG THỊ MAI

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG

XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2015

DƯƠNG THỊ MAI

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG

XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ

Mã số : 60.52.05.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS.NGUYỄN VIỆT HÀ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Dương Thị Mai

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH TRẮC ĐỊA 4

1.1 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 4

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS 18

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT GPS 20

1.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS 28

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH TRONG THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH 34

DÂN DỤNG – CÔNG NGHIỆP 34

2.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU VÀ ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH – DÂN DỤNG 34

2.2 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH 36

2.3 PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH ĐỘ CHÍNH XÁC, SỐ BẬC PHÁT TRIỂN VÀ HỆ QUY CHIẾU CHO MẠNG LƯỚI 42

2.4 THIẾT KẾ ĐỒ HÌNH LƯỚI 50

2.5 ƯỚC TÍNH ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI 52

2.6 ĐẶC ĐIỂM TỔ CHỨC ĐO ĐẠC NGOẠI NGHIỆP 57

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG – CÔNG NGHIỆP ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH 64

3.1 ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG – CÔNG NGHIỆP 64

3.2 THUẬT TOÁN BÌNH SAI LƯỚI GPS TRONG HỆ TỌA ĐỘ VUÔNG GÓC KHÔNG GIAN ĐỊA TÂM 65

3.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU LƯỚI KHỐNG CHẾ BẰNG PHẦN MỀM TBC 2.0 68

3.4 THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ LƯỚI THI CÔNG CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY XI MĂNG BÚT SƠN 76

KẾT LUẬN 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS đang được sử

dụng rộng rãi ở Việt Nam 10

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của các hệ thống định vị vệ tinh 17

Bảng 1.3: Bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã (C/A, P) 20

Bảng 1.4: Quan hệ giữa PDOP và chất lượng tọa độ điểm quan sát 33 Bảng 2.1: Tham số hình học cơ bản 41

Bảng 2.2: Sai số trung phương khi thành lập lưới khống chế thi công 43

Bảng 2.3: Sai số trung phương khi lập lưới bố trí công trình 44

Bảng 2.4: Giá trị hiệu độ cao của cạnh đo và độ cao mặt chiếu 47

Bảng 2.5: Giá trị khoảng cách từ kinh tuyến trục đến công trình 48

Bảng 2.6: Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi đo GPS 58

Bảng 2.7: Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập để phục vụ đo vẽ bản đồ 59

Bảng 3.1: Thành quả tọa độ phẳng bình sai 81

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Tổng quan về cấu trúc của hệ thống GPS 6

Hình 1.2: Quỹ đạo vệ tinh 6

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS 9

Hình 1.4: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại 11

Hình 1.5: Hệ thống định vị GLONASS 12

Hình 1.6: Hoạt động GLONASS 13

Hình 1.7: Thiết bị sử dụng GLONASS kết hợp GPS 16

Hình 1.8: Nguyên lý đo tuyệt đối 21

Hình 1.9: Nguyên lý đo tương đối 24

Hình 1.10: Sai số do hiện tượng đa đường 31

Hình 1.11: Sai số do cấu hình vệ tinh 32

Hình 2.1: Một số mốc bê tông 38

Hình 2.2: Vệ tinh địa tĩnh GPS 40

Hình 2.3: Liên kết điểm 50

Hình 2.4: Liên kết cạnh 51

Hình 2.5: Liên kết cạnh – điểm 51

Hình 3.1: Giao diện phần mềm Trimble Business Center 2.0 69

Hình 3.2: Menu file 70

Hình 3.3: Cửa sổ tạo Project mới 70

Hình 3.4: Hộp thoại mở file 71

Hình 3.5: Hộp thoại chọn thư mục 71

Hình 3.6: Hộp thoại hiển thị file 71

Hình 3.7: Xử lý cạnh đo và hình vẽ kết quả sau xử lý 72

Hình 3.8: Lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 73

Hình 3.9: Hộp thoại Select Coordinate System 73

Hình 3.10: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 74

Hình 3.11: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 74

Hình 3.12: Hộp thoại lựa chọn hệ tọa độ tham chiếu 75

Hình 3.13: Hình vẽ sau bình sai 75

Hình 3.14: Chương trình hiện văn bản và kết quả bình sai 76

Hình 3.15: Nhà máy xi măng Bút Sơn 77

Hình 3.16: Sơ đồ phân tích độ chính xác vị trí các điểm khống chế sau bình sai 78

Hình 3.17: Đồ hình lưới và bản vẽ thiết kế nhà máy trước khi tính chuyển 80

Hình 3.18: Đồ hình lưới và bản vẽ thiết kế nhà máy sau khi tính chuyển 86

Tôi rất mong được các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp nhận xét, góp ý để kiến thức của tôi được hoàn thiện hơn

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đối với mỗi quốc gia, công cuộc đô thị hóa và công nghiệp hóa để phục

vụ cho sự phát triển kinh tế đất nước là hết sức quan trọng và luôn được coi là vấn đề trọng điểm của quốc gia đó Việt Nam là một nước đang phát triển, khả năng cung cấp nguyên vật liệu, nhà ở phục vụ sản xuất và sinh hoạt đang rất thiếu so với nhu cầu thực tế Sản xuất nguyên vật liệu là một nhiệm vụ hết sức nặng nề đối với ngành công nghiệp trong nhiều thập kỷ tới

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh trong trắc địa đã rất phổ biến, đặc biệt trong ứng dụng vào mục đích thành lập các loại lưới khống chế Sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ giúp cho khả năng ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh ngày càng cao, các phần mềm xử lý số liệu ngày càng ưu việt và đáp ứng được các yêu cầu đa dạng của thực tế sản xuất

Sử dụng công nghệ định vị vệ tinh để xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng và công nghiệp có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn vì khi áp dụng công nghệ này chúng ta tiết kiệm được thời gian sản xuất, giảm bớt chi phí, nhân công, khắc phục được những khó khăn về địa hình

Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài: "Ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh trong xây dựng lưới khống chế thi công công trình dân dụng và công nghiệp" là rất cần thiết, góp phần giải quyết được những vấn đề khó khăn nêu

trên

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ định vị vệ tinh trong công tác thành lập lưới khống chế mặt bằng phục vụ thi công các công trình dân dụng và công nghiệp

3 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu khảo sát đặc điểm ứng dụng, các phương pháp đo định vị

- Tổng hợp kết quả thu được, so sánh, đánh giá và đưa ra các kết luận

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đo đạc, tính toán bình sai lưới khống chế thi công công trình dân dụng

và công nghiệp nhà máy xi măng Bút Sơn

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TBC 2.0 để xử lý số liệu GPS; xây dựng quy trình tính chuyển tọa độ sau bình sai về hệ tọa độ công trình

5 Nội dung của đề tài:

- Khảo sát đặc điểm ứng dụng, các phương pháp định vị vệ tinh từ đó

đề xuất các biện pháp nâng cao hiệu quả và độ chính xác thành lập lưới khống chế thi công công trình

- Nghiên cứu thuật toán chuyển đổi tọa độ địa tâm về hệ tọa độ thi công công trình

- Nghiên cứu quy trình đo đạc và xử lý số liệu lưới thi công công trình dân dụng và công nghiệp bằng công nghệ định vị vệ tinh

- Tiến hành đo đạc thực nghiệm

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp, xử lý các thông tin và tài liệu liên quan

- Phương pháp phân tích: sử dụng các phương tiện và các công có tiện ích, phân tích có lôgíc các tài liệu, số liệu hiện có làm cơ sở giải quyết các vấn

đề đặt ra

- Phương pháp so sánh: tổng hợp các kết quả, so sánh đánh giá và đưa

ra các kết luận chính xác về vấn đề đặt ra

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Qua nghiên cứu chúng ta thấy rằng độ chính xác trong định vị vệ tinh

cụ thể là định vị bằng công nghệ GPS tương đối trên khoảng cách ngắn đạt độ chính xác cao Trong một số trường hợp, điều kiện đo ngoài thực địa bị hạn chế về khả năng thông hướng, việc sử dụng GPS trong công tác xây dựng các mạng lưới trắc địa công trình đã tỏ ra linh hoạt, mang lại hiệu quả cao về kinh

tế và kỹ thuật

Công nghệ vệ tinh đã mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong trắc địa nói chung và trắc địa công trình nói riêng Với các trị đo cạnh ngắn và liên kết trong một mạng lưới chặt chẽ, công nghệ vệ tinh có tiềm năng đạt được độ chính xác cao về vị trí tương hỗ giữa các điểm trong lưới, đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn chặt chẽ của các mạng lưới chuyên dùng trong Trắc địa công trình

Đối với các công trình dân dụng và công nghiệp có địa hình phức tạp, quy mô công trình lớn, thì việc ứng dụng công nghệ vệ tinh trong xây dựng thành lập các loại lưới khống chế là hoàn toàn hợp lí và đạt hiệu quả cao hơn

so với các phương pháp truyền thống trước đây

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ VỆ TINH VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH TRẮC ĐỊA

1.1 CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH

Từ những năm 60 của thế kỷ trước, cơ quan hàng không và vũ trụ của

Mỹ, Nga đã tiến hành các chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT(Mỹ) và SIKADA(Nga) Một thời gian ngắn sau đó các hệ thống định vị trên bắt đầu ứng dụng trong trắc địa, tuy nhiên độ chính xác đạt được của các hệ thống trên là không cao

Theo thời gian hệ thống đinh vị vệ tinh ngày càng được phát triển và hoàn thiện cả về thiết bị thu phát cũng như phần mềm xử lý số liệu Trong ngành trắc địa, phạm vi sử dụng của công nghệ định vị vệ tinh cũng được mở rộng và đạt kết quả cao ở nhiều loại hình công việc Đối với chuyên ngành trắc địa công trình, công nghệ định vị vệ tinh có tiềm năng rất lớn để giải quyết các công việc: định vị công trình, xây dựng các mạng lưới trắc địa chuyên dùng chính xác cao, quan trắc biến dạng công trình…

Cho đến nay các hệ thống định vị vệ tinh có tiềm năng ứng dụng hiệu quả trong trắc địa là NAVSTAR– GPS (Mỹ), GLONASS (Nga), Galileo (Cộng đồng châu Âu) Các hệ thống định vị nêu trên có nguyên lý cấu trúc chung, bao gồm 3 thành phần (được gọi là đoạn) như sau:

- Đoạn không gian (Space Segment): bao gồm một số vệ tinh trên quỹ đạo

- Đoạn điều khiển (Control Segment): bao gồm một trạm điều khiển trung tâm và một số trạm theo dõi phân bố tại những vị trí khác nhau trên Trái Đất

- Đoạn sử dụng (Use Segment): bao gồm các thiết bị thu và xử lý tín hiệu

vệ tinh

1.1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System -

GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là Navigation Satellite And Ranging Global Positioning System (NAVSTAR GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì Vào năm 1978 vệ tinh đầu tiên được phóng lên quỹ đạo và đến 8/12/1993 trên 6 quỹ đạo đã có đủ 24

vệ tinh Ban đầu nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian

và tốc độ chuyển động của tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và các chuyển động trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự của Mỹ Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng rộng rãi trên thế giới Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước đã nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này Hướng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực:

- Chế tạo máy thu tín hiệu

- Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu đáp ứng cho nhiều mục đích

- Thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng trong các chuyên ngành Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng đã xây dựng một hệ thống định vị toàn cầu tương tự, mang tên GLONASS (Global Navigation Satellite System), được đưa vào sử dụng từ năm 1982 Nhưng do nhiều điều kiện khách quan nên ít được phổ biến hơn Hiện nay, liên minh Châu Âu cùng một số nước phát triển cũng đã cho ra đời hệ thống định vị toàn cầu mang tên Galileo (GNSS) với mục đích sử dụng cho dân sự

Ở Việt Nam, công nghệ GPS đã có mặt từ đầu những năm 90 của thế

kỷ trước, chủ yếu được nghiên cứu ứng dụng để thành lập lưới tọa độ quốc gia và lưới địa chính cơ sở Trong những năm gần đây, công nghệ GPS bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực của trắc địa công trình

Hệ thống định vị toàn cầu GPS gồm 3 bộ phận: Đoạn không gian

(Space Segment), đoạn điều khiển (Control Segment) và đoạn sử dụng (Use Segment)

Ph ầ n s ử d ụ ng

(User Segment)

Ph ầ n đ i ề u khi ể n

(Control Segment)

Các tr ạ m giám sát

(Monitor Stations)

Phần không gian

(Space Segment)

Hình 1.1: Tổng quan về cấu trúc của hệ thống GPS

Khái quát về các bộ phận cấu thành của hệ thống GPS và chức năng của chúng có thể được tóm tắt nh sau:

1.1.1.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Mô tả cấu trúc của các quỹ đạo vệ tinh, số lượng vệ tinh trên một mặt phẳng quỹ đạo, các loại tín hiệu được phát đi từ vệ tinh

Gồm 24 vệ tinh quay trên 6 mặt

phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc

nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo

của trái đất Quỹ đạo của vệ tinh hầu như

là tròn và ở độ cao khoảng 20.200 km

Chu kỳ quay của vệ tinh là 518 phút, như

vậy vệ tinh sẽ bay qua đúng điểm cho

trước trên mặt đất một ngày một lần

Hình 1.2: Quỹ đạo Vệ tinh

Việc bố trí này nhằm mục đích để sao cho tại mỗi thời điểm và mỗi vị

trí trên trái đất máy thu đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử có độ chính xác cao cỡ 10-12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở là 10,23 MHZ,

và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1 = 1575,42 MHZ và L2 = 1227,60 MHZ Người ta sử dụng tần số tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly

Các sóng tải được điều biến bởi 2 loại code là: C/A - code và P - code:

- C/A - code (Coarse/Acquisition code): là code thô, được sử dụng cho

mục đích dân sự và chỉ điều biến sóng tải L1 Code này được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 1,023 MHZ tức là bằng 1/10 tần số cơ sở và được lặp lại sau mỗi một miligiây Mỗi vệ tinh được gán cho một C/A - code riêng biệt

- P - code (precice code): là code chính xác, 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 sắp xếp theo quy lưuật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ; độ dài toàn phần của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-Code mới lặp lại Tuy vậy, người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 5 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một trong các đoạn code như thế, cứ sau một tuần lại thay đổi Bằng cách này P - code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép

Cả hai sóng tải L1 và L2 còn được điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm: tọa độ theo thời gian của vệ tinh (ephermeris), thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ của vệ tinh, đồ hình phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống

Ngoài hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho người sử dụng (khách hàng), các vệ tinh còn dùng hai sóng tần số 1783,74 MHZ và 2227,5 MHZ để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất

1.1.1 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Mô tả mạng lưới trắc địa vũ trụ bao gồm các trạm quan sát vệ tinh với mục đích xác định chính xác quỹ đạo chuyển động của các vệ tinh, truyền các thông tin điều khiển và các dữ liệu cần thiết lên vệ tinh Gồm các trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ); 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) tạo thành một vành đai bao quanh trái đất

Các trạm này điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của vệ tinh và hoạt động của đồng hồ trên đó Tất cả các trạm đều có máy thu GPS để tiến hành đo khoảng cách và sự thay đổi khoảng cách tới tất cả các vệ tinh có thể quan sát được, đồng thời đo các số liệu khí tượng Các số liệu đo nhận được ở các trạm điều khiển tự động được truyền về trạm trung tâm Tại trạm trung tâm, các số liệu thu nhận từ các trạm được xử lý kết hợp với số liệu đo của chính nó, kết quả cho ra các ephemerit chính xác hóa của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng

hồ trên vệ tinh Các số liệu đã xử lý này được tự động truyền từ trạm trung tâm trở lại các trạm quan sát, từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh

Như vậy các thông tin đạo hàng và thông tin thời gian trên vệ tinh thường xuyên được chính xác hóa và được cung cấp cho người sử dụng thông qua các sóng tải L1 và L2 Việc chính xác hóa thông tin được tiến hành 3 lần trong một ngày

Hình 1.3: Nguyên lý điều khiển của hệ thống GPS

Mạng lưới các trạm kiểm soát và điều khiển nêu trên là mạng lưới chính thức để xác định lịch vệ tinh, phát tín hiệu và các số cải chính đồng hồ

vệ tinh, hệ thống này do Bộ quốc phòng Mỹ quản lý Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm điều khiển được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI) Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo

số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh Các số liệu sau tính toán được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu, từ đó gửi tiếp lên vệ tinh

1.1.1.3 Đoạn sử dụng (User segment)

Đoạn khai thác sử dụng bao gồm các loại máy thu tín hiệu vệ tinh được đặt trên máy bay, tàu thủy hoặc trên mặt đất, các phần mềm xử lý tín hiệu vệ tinh Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ

vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng, kể cả trên trời, trên biển và trên đất liền Có thể là một máy thu riêng biệt, hoạt động độc lập hay một nhóm gồm từ 2 máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định hoặc hoạt động theo

chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến để hiệu chỉnh cho các máy thu khác

Các thiết bị thu phục vụ cho công tác trắc địa gồm 2 nhóm máy:

- Các máy thu một tần số (L1);

- Các máy thu hai tần số (L1, L2)

Các máy thu một tần số phù hợp cho đo các cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10 km và chỉ thu được tín hiệu trên sóng tải tần số L1 Các tính năng định vị của máy được thực hiện trên cơ sở các đại lượng đo là C/A-code

và pha của sóng tải L1

Các máy thu hai tần số phù hợp với khoảng cách dài, thu được tín hiệu trên cả hai sóng tải với các tần số L1 và L2 Các tính năng định vị được thực hiện theo cả C/A-code và P-code, cũng nh theo pha của cả hai sóng tải Máy thu hai tần loại trừ được đáng kể ảnh hưởng của tầng điện ly nên được sử dụng chủ yếu để đáp ứng yêu cầu định vị chính xác cao ở khoảng cách lớn

Bảng 1.1: Tính năng kỹ thuật của một số loại máy thu GPS đang được

sử dụng rộng rãi ở Việt Nam

Loại

máy

Hãng sản xuất

Sai số khoảng cách

Tầm hoạt

động (Km)

Sai số phương

vị

Loại máy thu

M¸y thu Trimble 4600LS

Máy thu Trimble R7 vµ anten

Hình 1.4: Hình ảnh một số loại máy thu GPS hiện đại

1.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu GLONASS

GLONASS là từ viết tắt của cụm từ tiếng Nga "Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema" (tạm dịch là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu) Là hệ thống định vị vệ tinh do Lực lượng Phòng vệ Không gian của Nga điều hành, tương tự GPS Hệ thống GPS là sản phẩm của Bộ Quốc phòng Mỹ xây dựng vào năm 1978, còn GLONASS ra sau và được

coi là hệ thống thay thế

Máy Trimble 4600LS

Máy Trimble 4800

Hình 1.5: Hệ thống định vị GLONASS

Cũng giống như GPS, chức năng chính của GLONASS là hệ thống điều hướng cho xe hơi và hàng không Tuy nhiên, ban đầu nó được ngành quốc phòng của Nga dùng làm hệ thống dẫn đường trong các môi trường đòi hỏi tốc độ cao như trong máy bay phản lực và tên lửa đạn đạo GLONASS bắt đầu ra mắt vào cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước Ban đầu, nó được sử dụng chủ yếu cho việc định vị thời tiết và đo vận tốc Tuy nhiên sau sự sụp đổ của Liên Xô, đầu tư cho GLONASS bị cắt giảm khiến dự án bị đình trệ Kết hợp với tuổi đời của vệ tinh ngắn (khoảng 3 năm), nên rất ít người tin tưởng vào thành công của chương trình GLONASS Nhưng mọi sự thay đổi vào năm

2011 khi Thủ tướng Nga Vladimir Putin tuyên bố coi việc hoàn thành chương trình GLONASS là một ưu tiên quốc gia và đầu tư ồ ạt cho dự án này, biến nó trở thành tổ hợp công nghệ tối quan trọng Vào năm 2007, ông Putin ban hành sắc lệnh liên bang mở GLONASS cho sử dụng dân sự không giới hạn, đưa hệ thống này trở thành thách thức với hệ thống GPS của Mỹ Vào năm 2010, GLONASS đã phủ khắp lãnh thổ của Nga Một năm sau đó, nhờ vào chòm sao vệ tinh quay theo quỹ đạo mà nó đã phủ khắp toàn cầu

Hệ thống GLONASS được sử dụng các mục đích: xác định vị trí điểm trên bề mặt Trái đất, dẫn đường các hệ thống phương tiện trên không, trên biển, đạo hàng các vệ tinh vũ trụ Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống GLONASS được phóng lên quỹ đạo vào năm 1982, đến năm 1995 hệ thống

đã được xây hoàn chỉnh với các quỹ đạo bay của các vệ tinh ở độ cao 19130km Hệ thống cho phép trong khoảng thời gian 1÷2 phút, bất kỳ một điểm nào trên Trái đất có thể xác định được vị trí với sai số không quá 100m, vận tốc chuyển động với sai số không quá 0,15m/giây, liên kết thời gian thang

số chuẩn với sai số không quá 0,001 giây Hệ thống GLONASS được ứng dụng cho các mục đích:

1.Thành lập mạng lưới trắc địa toàn cầu trong hệ tọa độ địa tâm;

2 Quảng bá thời gian thống nhất toàn cầu với độ chính xác cao;

3 Dẫn đường các phương tiện chuyển động trên mặt đất, trên biển trong không gian và trong vũ trụ

Hình 1.6: Hoạt động GLONASS

Có 3 thành phần cấu tạo nên GLONASS Đầu tiên là cơ sở hạ tầng không gian gồm các chòm sao vệ tinh Đây là nhóm các vệ tinh hoạt động trên cùng hệ thống Chúng thường được đặt trên các máy bay bay quanh quỹ đạo trái đất hay còn được gọi là các quỹ đạo bay Các vệ tinh này tương tác với các mạng định vị dưới mặt đất (thành phần thứ hai), giúp tăng độ chính xác và tốc độ của các vệ tinh qua việc thu thập các thông tin đo đạc Các mạng lưới định vị dưới mặt đất lý tưởng nhất là trải rộng đều trên khắp thế giới để đảm bảo sự chính xác Tuy nhiên với GLONASS, các mạng định vị dưới mặt đất chủ yếu nằm ở Nga,Brazil, Cuba và châu Nam Cực Nga cũng

đã đồng ý sẽ mở các mạng định vị dưới mặt đất ở Trung Quốc, quốc gia muốn đưa GLONASS trở thành đối trọng với GPS Ngoài ra, trong năm 2014 thì GLONASS đã có thêm 7 mạng định vị dưới mặt đất nằm ở bên ngoài nước Nga

Các chòm sao vệ tinh và mạng lưới định vị dưới mặt đất tạo thành lưới tam giác để xác định vị trí của các thiết bị nhận, là thành phần thứ ba Thành phần thứ ba là các thiết bị nhận tương thích với GLONASS như smartphone hay các hệ thống dẫn đường trên xe hơi Lưới tam giác (để đo đạc vị trí) được thực hiện bởi một loạt tính toán dựa trên các nội dung tín hiệu gửi từ các vệ tinh Các tín hiệu này được gửi ở các khoảng thời gian chính xác Các thiết bị nhận dùng GLONASS để định vị sẽ sử dụng các tín hiệu gửi từ ít nhất 4 vệ tinh để tính toán vị trí, vận tốc và thời gian GLONASS ban đầu sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh, với 25 kênh cho 24 vệ tinh Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế là dễ bị can nhiễu và gián đoạn Từ năm 2008,GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ

tinh GPS Bởi vì các thiết bị nhận GLONASS tương thích với cả FDMA và CDMA nên chúng chúng có kích cỡ lớn hơn và đắt đỏ hơn GPS

1.1.2.1 Đoạn không gian (Space Segment)

Đoạn này gồm 24 vệ tinh quay trên 3 mặt phẳng quỹ đạo và 3 vệ tinh

dự trữ Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, bay ở độ cao xấp xỉ 19130km Mỗi

vệ tinh được trang bị máy phát tín hiệu radio đạo hàng với 2 tần số: CSA – độ chính xác chuẩn và BT - độ chính xác cao

1.1.2.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Đoạn điều khiển gồm một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Golishino cách Moscow 40km; và các trạm theo dõi phân bố đều trên lãnh thổ Nga: quanh ngoại ô Moscow, SanPetecbua, Enhiseisk, Iakutsk,…

1.1.2.3 Đoạn sử dụng (User segment)

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng (tương tự như hệ thống GPS)

1.1.3 Một số khác biệt giữa GLONASS và GPS

Đầu tiên, GLONASS có ít vệ tinh hơn, GPS có 32 vệ tinh quay quanh trái đất trong 6 quỹ đạo bay Trong khi đó, GLONASS có 24 vệ tinh với 3 quỹ đạo bay Điều này có nghĩa là GLONASS có nhiều vệ tinh đi theo cùng quỹ đạo hơn GPS và như vậy nó làm giảm độ chính xác của việc định vị Tuy vậy, khác biệt lớn nhất giữa GPS và GLONASS là cách thức liên lạc với thiết

bị nhận Với GPS, các vệ tinh sử dụng cùng tần số vô tuyến nhưng có các mã khác nhau để liên lạc Còn với GLONASS, các vệ tinh có cùng mã nhưng lại

sử dụng các tần số khác nhau Điều này cho phép các vệ tinh liên lạc với nhau mặc dù đang ở cùng quỹ đạo bay

Độ chính xác của GLONASS tương đương với GPS Nhưng điều này không phải lúc nào cũng như vậy Đầu thế kỷ 21, GLONASS bị hỏng khiến

hệ thống này hoạt động không chính xác Điều này khiến Roscosmos (Cơ quan vũ trụ Nga) đặt mục tiêu đưa GLONASS tiệm cận với GPS về độ chính xác và tin cậy vào năm 2011 Cuối năm 2011, GLONASS đã đạt được mục tiêu đề ra Nó đã chứng tỏ đạt được độ chính xác trong môi trường tối ưu (không có mây, tòa nhà cao tầng hoặc can nhiễu vô tuyến) tới 2,8 mét Kết quả này chỉ kém GPS một chút nhưng là mức hoàn toàn chấp nhận được cả với sử dụng thương mại lẫn quốc phòng Tuy vậy, độ chính xác của GLONASS còn tùy thuộc vào nơi bạn sử dụng Nó đưa ra kết quả định vị chính xác hơn ở Bán cầu Bắc so với Bán cầu Nam do khu vực này tập trung nhiều trạm mặt đất hơn

Hình 1.7: Thiết bị sử dụng GLONASS kết hợp GPS

Mặc dù nhiều nhà sản xuất điện thoại đã tích hợp GLONASS vào thiết

bị của họ như Sony, Apple và HTC song hệ thống định vị này vẫn chưa thể phổ biến được như GPS, công nghệ hiện có mặt trên hầu như toàn bộ smartphone và máy tính bảng Điều này một phần là do GLONASS mới chỉ

có kết quả thực sự chính xác ở các vĩ độ Bắc, do nó ban đầu được thiết kế chủ

yếu phục vụ cho Nga trong khi GPS ngay từ đầu đã hướng đến toàn cầu GLONASS chưa được biết đến nhiều cũng bởi nó chưa phải là hệ thống định

vị hoàn thiện như GPS và thực tế thì hầu như chưa có thiết bị nào giới thiệu ngoài nước Nga chỉ tích hợp mỗi GLONASS. IPhone và khá nhiều thiết bị Android đã sử dụng cả GLONASS và GPS để đảm bảo sự chính xác tối đa Nếu bạn đang ở khu vực nhiều mây che phủ hoặc bị bao quanh bởi các tòa nhà cao tầng, thiết bị của bạn sẽ sử dụng GLONASS kết hợp cùng với GPS Điều này cho phép thiết bị được xác định bởi bất kỳ vệ tinh nào trong tổng số

55 vệ tinh trên toàn cầu (các vệ tinh của cả GLONASS và GPS), như vậy sẽ làm tăng độ chính xác của việc định vị Tuy nhiên, GLONASS thường chỉ được kích hoạt khi tín hiệu GPS yếu để tiết kiệm pin cho thiết bị Có một số ít ứng dụng chỉ sử dụng GLONASS để cung cấp dịch vụ định vị Chẳng hạn, ứng dụng NIKA GLONASS (hiện được cung cấp miễn phí trên kho ứng dụng Google Play và App Store) cho phép bạn theo dõi trí của thiết bị Android trong thời gian thực Tuy nhiên, ứng dụng này đòi hỏi phải có thẻ sim MTS (công nghệ CDMA) mới hoạt động

1.1.4 Thông số kỹ thuật chủ yếu của một số hệ thống định vị vệ tinh

Các thông số kỹ thuật chủ yếu của hệ thống GPS, GLONASS và Galileo được đưa ra trong bảng 1.2

Chu kỳ quay của vệ tinh 11h58ph00s 11h15ph44s

1575,42- 1227,60

1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS

Việc định vị bằng GPS được thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đo cơ bản là khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A - code

và P - code) và pha sóng tải (L1 và L2)

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

Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải, máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng nh vậy Bằng cách so sánh code thu được từ vệ tinh và code của chính máy thu, ta xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu, cũng nh ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh

và máy thu

Ký hiệu tọa độ của vệ tinh là XS ,YS , ZS ; tọa độ của điểm xét (máy thu)

là X, Y, Z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t; sai số giữa đồng hồ trong máy thu và đồng hồ trên vệ tinh là Dt; khoảng cách đo được từ vệ tinh tới máy thu là R

Khi đó ta có thể viết:

Trong đó: c là tốc độ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A - code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền sóng tín hiệu chỉ có thể đảm bảo được độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều kiện môi trường lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A - code sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận để cho khách hàng dân sự khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P - code (chỉ để dùng với mục đích quân sự) Chính vì lí do này Mỹ đã phải đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A - code Đây là hệ thống làm nhiễu (Selective Availability) dựa trên cơ sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của đồng hồ vệ tinh Khi bị làm nhiễu bởi SA, tọa độ vệ tinh có độ chính xác cỡ

từ 2÷50 m, tọa độ mặt bằng đạt độ chính xác cỡ 100m (với mức SA cỡ 95%)

Để dùng phương pháp đo khoảng cách giả đạt độ chính xác cao, các nhà trắc địa đã đa ra phương pháp định vị tương đối Với phương pháp này, sai số tín hiệu vệ tinh do hệ nhiễu SA gây ra sẽ không ảnh hưởng đến các hiệu tọa độ giữa hai máy thu nên được áp dụng rộng rãi trong công tác trắc địa

1.2.2 Đo pha của sóng tải

Các sóng tải L1 và L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được 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 f (0 < f < 2P)

Khi đó có thể viết:

Trong đó:

R: Khoảng cách giữa vệ tinh và tâm anten máy thu;

λ: Bước sóng của sóng tải;

N: Số nguyên lần bước sóng chứa trong R, hoặc còn được gọi là số nguyên đa trị N thường không biết trước mà phải xác định trong qua trình đo;

∆t: Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác tới cỡ milimet Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn sóng tải L1, nhưng tác dụng chủ yếu của nó là cùng với sóng tải L1 tạo ra khả năng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và làm cho việc xác định số nguyên đa trị (N) được đơn giản hơn

Trong bảng 1.3 đưa ra so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã (C/A, P) để xác định khoảng cách

Bảng 1.3: Bảng so sánh việc sử dụng sóng tải và các mã (C/A, P)

1.3.1 Phương pháp đo tuyệt đối

1.3.1.1 Nguyên lý đo GPS tuyệt đối

Trong đo GPS tuyệt đối, người ta sử dụng máy thu GPS để xác định tọa

độ không gian của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS - 84 Đó có thể

là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H) Hệ tọa độ WGS - 84 là hệ tọa độ cơ sở của hệ thống

GPS, nó được lập gắn với ellipxoid có kích thước nh sau:

a = 6378137 m ; 1/α = 298.257223563 Tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống tọa độ này

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

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

Hình 1.8: Nguyên lý đo tuyệt đối

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 chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trong thực

tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa là khoảng cách từ một vệ tinh thứ t Để thấy rõ điều này, ta lập một hệ gồm 4 phương trình cho 4 vệ tinh như sau:

(XS1 - X)2 + (YS1 - Y)2+ (ZS1 - Z)2 = (R1 - c.Dt)2 (XS2 - X)2 + (YS2 - Y)2+ (ZS2 - Z)2 = (R2 - c.Dt)2 (XS3 - X)2 + (YS3 - Y)2+ (ZS3 - Z)2 = (R3 - c.Dt)2 (1.3) (XS4 - X)2 + (YS4 - Y)2+ (ZS4 - Z)2 = (R4 - c.Dt)2

Trong hệ phương trình trên chúng ta cần quan tâm đến 3 ẩn số là 3 thành phần tọa độ X, Y, Z của máy thu (điểm xét) Khi đó ta chỉ cần 3 phương trình ứng với 3 khoảng cách đo chính xác từ 3 vệ tinh đến máy thu Nhưng do

có sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và của máy thu là Dt chưa được biết nên ta phải coi nó là một ẩn số cần tìm Chính vì vậy cần phải có thêm một phương trình, tức là phải quan sát thêm một vệ tinh nữa

Như vậy, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy, ngoài ra còn xác định được số hiệu chỉnh cho đồng hồ của máy thu Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu để xác định tọa độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát

Với số lượng vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, có thể quan sát đồng thời từ 6-8 vệ tinh hoặc nhiều hơn tại bất kỳ vị trí nào trên trái đất Khi

đó các ẩn số được xác định theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất Độ chính xác của phương pháp định vị tuyệt đối là 5÷10m Để nâng cao độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đã đa ra phương pháp định vị vi phân

1.3.1.2 Đo vi phân

Phương pháp này sử dụng một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu

vô tuyến đặt tại điểm có tọa độ đã biết (máy cố định), đồng thời có một máy

di động đặt ở vị trí cần xác định tọa độ, có thể là điểm cố định trên bề mặt trái đất hay điểm di động như máy bay, ô tô, tàu thủy Cả máy cố định và di động cần tiến hành thu tín hiệu đồng thời từ các vệ tinh như nhau Nếu tín hiệu từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định tọa độ của máy cố định và máy di

động đều bị sai, độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính được theo tín hiệu đã thu và tọa độ sẵn có của máy cố định và có thể coi đó là

độ sai lệch tọa độ đối với máy di động Giá trị lệch tọa độ được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến, máy di động thu nhận mà điều chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình

Giả sử điểm cố định A có tọa độ XA, YA, ZA, nếu tọa độ tính được sau khi định vị là X0A, Y0A, Z0A thì số hiệu chỉnh là:

DX = XA – X0A

DY = YA – Y0A

DZ = ZA – Z0AKhi đó nếu tọa độ của điểm di động B được tính sau khi định vị là X0B,

Y0B, Z0B thì tọa độ chính xác của điểm B là:

1.3.2 Phương pháp đo tương đối

1.3.2.1 Nguyên lý đo GPS tương đối

Phương pháp đo tương đối là phương pháp xác định tọa độ của các

điểm so với một điểm khác dựa trên việc đo các thành phần của véc tơ Baseline

giữa chúng, bằng cách sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (DX, DY, DZ) hoặc hiệu tọa độ mặt cầu (DB, DL, DH) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS - 84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được triển khai trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao khi xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải để làm giảm ảnh hưởng của nhiều nguồn sai số như: sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị

Hình 1.9: Nguyên lý đo tương đối

Ký hiệu pha (hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm quan sát ti là Φj

r(ti) Khi đó, nếu từ hai trạm 1 và 2 tiến hành quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một

được lập như sau:

DFj(ti) = Φj

2(ti) - Φj

1(ti) (1.4) Trong sai phân này đã khử được sai số đồng hồ trên vệ tinh

Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào cùng một thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc hai:

D2Fj, k(ti) = DFk(ti) - DFj(ti) (1.5) Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu tại hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j, k vào các thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có sai phân bậc ba:

D3Fj, k(ti) =D2Fj, k(ti+1) - D2Fj, k(ti) (1.6) Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị

Hiện nay, số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4 (có khi lên đến trên 10 vệ tinh), bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ

có nhiều trị đo Không những thế, quá trình đo GPS tương đối được thực hiện trong một thời gian khá dài, thường từ nửa giờ đến vài ba giờ Do đó trên thực

tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm quan sát sẽ rất lớn

và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất

Đo GPS tương đối được chia làm 3 nhóm phương pháp đo cơ bản là:

Phương pháp đo tĩnh (Static), Phương pháp đo động (Kinematic), Phương pháp đo giả động (Pseu - Kinematic)

1.3.2.2 Phương pháp đo tĩnh

Được sử dụng để xác định vị trí tương hỗ (hiệu tọa độ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình Trong phương pháp đo tĩnh ta sử dụng hai máy thu: một máy đặt ở điểm đã biết tọa độ, máy kia đặt ở điểm cần xác định tọa độ 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 tiếng đến hai, hoặc ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai máy là 3 nhưng thường lấy là 4

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian quan sát chung của các máy thu phải kéo dài để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi, từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời để có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Đây là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể đạt đến cỡ milimét ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục, hàng trăm kilômét Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo kéo dài nên năng suất không cao

1.3.2.3 Phương pháp đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút Trong phương pháp đo này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa 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 sau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không không cần kéo dài mà có thể giảm xuống còn một vài phút mà vẫn đạt được

độ chính xác cao Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ

đo, máy này còn được gọi là máy cố định Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho tiến hành thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong một vài phút Việc làm này gọi là khởi đo (Initialization), máy thứ hai được gọi là máy di động

Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng

quay 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 vài phút tại điểm này Yêu cầu tối thiểu của phương pháp là cả máy cố định và di động phải đồng thời thu tín hiệu từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo, nên phải bố trí tuyến

đo ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu đo bị gián đoạn (cycle slip) Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành đo lại tại điểm khởi đo của cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2÷5 km và độ chính xác cỡ cm là đủ

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh, song lại đòi hỏi ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu vệ tinh nên phạm vi ứng dụng cũng có hạn chế

1.3.2.4 Phương pháp đo giả động

Phương pháp này cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm

so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo

Sau khi đo hết lượt, máy di động được đưa trở về điểm xuất phát (điểm

đo đầu tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm

là từ một giờ đồng hồ trở lên (trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh đã thay đổi đủ để xác định được số nguyên đa trị); Còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và dãn cách nhau một tiếng đồng hồ có tác dụng tương đương phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng Yêu cầu cần thiết của phương pháp này là phải có được ít nhất là 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát

Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu từ vệ

tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên chọn và bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo như đã nêu trên

1.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS

Định vị GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian các khoảng cách đo được từ máy thu đến các vệ tinh có tọa độ đã biết Khoảng cách đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian giữa vệ tinh và máy thu Vì vậy kết quả đo chịu ảnh hưởng trực tiếp của các sai số của: vệ tinh, máy thu, môi trường lan truyền tín hiệu và các nguồn sai sốkhác

của bức xạ mặt trời Tất cả những tác động nhiễu đó làm cho chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật Kepler Đó chính là nguyên nhân gây nên sai số quỹ đạo vệ tinh hay còn gọi là sai số vị trí vệ tinh

- Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể được xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS, và đương nhiên có chứa sai số

Cách khắc phục:

Định vị theo phương pháp tương đối giữa hai điểm sẽ loại trừ được đáng kể nguồn sai số này

1.4.2 Các nguồn sai số do môi trường

1.4.2.1 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tầng đối lưu được tính từ mặt đất tới độ cao 50km, tầng điện ly ở độ cao từ 50÷1000km Do vậy, tín hiệu được phát từ vệ tinh (ở độ cao 20200 km) xuống tới máy thu trên mặt đất phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu

a) Tầng điện ly

Nguyên nhân:

Ở tầng điện ly, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu, đối với tín hiệu GPS, số hiệu chỉnh khoảng cách theo hướng thiên đỉnh có thể đạt giá trị tối đa là 50m, theo hướng có góc cao 20o có thể đạt đến 150m

Cách khắc phục:

Để giảm thiểu sai số do tầng điện ly người ta thường dùng máy thu 2 tần số (dùng mô hình hiệu chỉnh hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ) Trong trường hợp hai điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu phản xạ do hai tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với một tần số, vì vậy nên dùng máy một tần số

cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn, với khoảng cách xa nên dùng máy thu hai tần số

Máy thu hai tần số có ưu điểm là:

- Loại bỏ được ảnh hưởng của tầng điện ly hoặc mô hình hóa được ảnh hưởng của tầng điện ly để cải chính vào đại lượng đo

- Phục hồi được số đếm số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu khi xảy ra hiện tượng mất tín hiệu

- Các mô hình ảnh hưởng của tầng điện ly được cho trong thông báo vệ tinh chỉ tin cậy trong khoảng cách không quá 20km Do đó về nguyên tắc khi

đo GPS với khoảng cách > 20km thì phải dùng loại máy thu hai tần số Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày

Cách khắc phục:

Để giảm thiểu sai số do tầng đối lưu có thể dùng mô hình hiệu chỉnh đa thêm tham số phụ ước tính ảnh hưởng của tầng đối lưu vào quá trình xử lý số liệu để tính hoặc dùng hiệu các trị đo đồng bộ, đồng thời quy định góc ngư-ỡng để quan sát vệ tinh là 15o

so với mặt phẳng chân trời

1.4.2.2 Sai số do nhiễu tín hiệu

Nguyên nhân:

Quãng đường truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu GPS có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân như: tín hiệu phản xạ từ các vật khác (kim loại,

bê tông, mặt nước…) ở gần máy thu GPS (hiệu ứng đa đường dẫn); tín hiệu

bị nhiễu do ảnh hưởng của các sóng điện từ khác (khi đặt máy thu ở gần các trạm phát sóng, gần đường dây tải điện cao áp ) Các tín hiệu bị nhiễu nói trên chập với tín hiệu truyền trực tiếp từ vệ tinh đến máy thu sẽ gây ra sai số đối với trị đo

Cách khắc phục:

Để khắc phục sai số do nhiễu tín hiệu, cần phải đặt máy thu cách xa các vật phản xạ tín hiệu hoặc các đối tượng gây nhiễu tín hiệu; không thu tín hiệu khi trời đầy mây, đang mưa, không đặt máy thu dưới các rặng cây

Hình 1.10: Sai số do hiện tượng đa đường

1.4.3 Sai số do đồ hình vệ tinh

Nguyên nhân:

Do vị trí của điểm quan

sát được xác định bởi phép giao

hội khoảng cách từ các vệ tinh,

nên độ chính xác của điểm đo

phụ thuộc vào các góc giao hội,

tức là phụ thuộc vào đồ hình

phân bố vệ tinh so với điểm

quan sát Sai số vị trí điểm giao

hội lớn hơn sai số của khoảng

là hệ số phân tản độ chính xác (Dilưution of Precision - DOP) Như vậy DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tản độ chính xác hình học GDOP (Geometric Dilưution of Precision) vì nó đặc trưng cho cả 3 thành phần tọa độ không gian

X, Y, Z và yếu tố thời gian t Nếu chỉ quan tâm đến ba thành phần tọa độ của điểm quan sát thì nên dùng hệ số phân tản độ chính xác vị trí (Position Dilưution of Precising - PDOP) Giá trị DOP sẽ được tính toán có thể và công

bố cho từng điểm đo Để chọn được trị DOP tối ưu thì khi lập kế hoạch định

vị ta cần phải dựa vào lịch vệ tinh để chọn vệ tinh cho từng điểm máy Trong thực tế đo đạc GPS thường dùng chỉ tiêu PDOP để đánh giá chất lượng xác