2.3.2.1. Nguyên lý đo
Đo tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở 2 điểm quan sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X, hay hiệu tọa độ mặt cầu ( giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84.
Hình 2.8. Định vị tương đối
Nguyên tắc đo tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo pha sóng tải kết hợp khoảng cách giả và cũng có khi sử dụng cả trị đo Doppler để hỗ trợ giả nhanh số nguyên đa trị. Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm xét cần thực hiện quan trắc đồng thời tại hai điểm. Người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải làm 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. Kỹ thuật đo pha hiện nay có thể đạt độ chính xác cỡ 1% bước sóng và có thể cao hơn, chính vì thế định vị tương đối đạt độ chính xác rất cao. Kết quả định vị tương đối được sử dụng trong trắc địa vào nhiệm vụ cần độ
chính xác cao và rất cao như xây dựng lưới khống chế quốc gia, các mạng lưới chuyên dụng (nghiên cứu địa động, lưới trắc địa công trình v v…)
Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là Фrj
(ti), ta sẽ có sai phân bậc một được lập như sau:
∆φJ
(ti)= φJ
2(ti) - φJ i(ti)
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: ∆2φJ,k (ti)= ∆φk (ti) -∆φJ (ti) 1 2 k j φJ 1(ti) 1 φJ 2(ti) J φJ 1(ti) 2
Trong sai phân này, hầu như không có ảnh hưởng của sai sốđồng 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 thời điểm ti, ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:
∆3φJ,k
= ∆2φk
(ti+1) -∆2φJ.k
(ti)
Hình 2.11. Mô hình sai phân bậc 3
Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị và sai số đồng hồ. Không những thế, sử dụng sai phân bậc ba để phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ (Cycle Slip). Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ
tinh (số vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ có rất nhiều trị đo. Lời giải đơn trị 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 bỏ được 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. Trong đo tương đối người ta phân chia thành các phương pháp sau:
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 cầu của 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 1
j(ti)
2 j(ti+1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trịđo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát.
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
- Độổn định của tín hiệu vệ tinh thu được
Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn. Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn đối với cạnh đo có chiều dài ngắn hơn.
Bảng 2.2. Sau đây kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình thường.
Chiều dài cạnh (km) Độ dài ca đo (phút)
0 - 1 1 - 5 5 - 10 10 – 20 10 - 30 30 - 60 60 - 90 90 – 120
Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định được số
nguyên đa trị. Đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1km), số nguyên đa trị có thể được giải ra trong khoảng thời gian 5 - 10 phút khi sử dụng pha của tần số L1. Bằng máy thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng (Wide lane), ở khoảng cách
Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc
định vị tương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km. Nhược điểm chủ
yếu của phương pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo thường không cao.
2 - Phương pháp đo động (Kinematic Relative Positioning)
Năm 1985, phương pháp định vị tương đối động mới được nghiên cứu và phát triển. Phương pháp này cho phép đạt độ chính xác vị trí tương đối giữa trạm cơ sở và trạm động tới centimet và có thể cao hơn. Năm 1989, phương pháp khởi đo trạng thái động OTF (On the fly) được nghiên cứu và áp dụng thành công đã là tiền đềđể 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 chứa thông tin của sự thay đổi trong khoảng cách hình học.
ρj
B(t)=
(2.0)
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 độ điểm đo. Như vậy tổng số ẩn sẽ là 3.nt đối với nt thời điểm. Các mối liên hệ giữa số lượng trị quan trắc và số lượng ẩn số với trường hợp này theo mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba là:
-Sai phân bậc nhất: nj.nt ≥ 3.nt + nj + nt
-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 lời giải đầy đủ với nt=1. Vì vậy, các mô hình cần được cải tiến: số lượng
các ẩn số này trong sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai đòi hỏi số vệ tinh theo dõi trong 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 đã biết 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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như vậy, trong tất cả các mô hình, yêu cầu cơ bản là phải quan trắc
đồng thời ít nhất 4 vệ tinh.
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 một vài phút. Theo phương pháp 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 hai 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 cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu thời điểm đo không phải là một tiếng đồng 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 cốđịnh ởđiểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳđo, máy này gọi là máy cố định. ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho thu tín hiệu
đồng thời 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
động lần 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 tại điểm này.
Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳđo. Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để
xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn. Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hành khởi 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 tổ
chức đo đểđảm bảo yêu cầu vềđồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh.