phục vụ cho việc xây dựng công trình
Testing the quality of GPS data for building works
Bùi Thị Hồng Thắm
Tóm tắtTrong thực tế xử lý số liệu đo GPS, có Trong thực tế xử lý số liệu đo GPS, có những tệp số liệu đo không xử lý được hoặc xử lý được song chất lượng thành quả chưa đạt được độ chính xác yêu cầu mà không rõ nguyên nhân. Điều này đã gây ra nhiều khó khăn về chuyên môn cũng như kinh phí, đặc biệt cho các nhiệm vụ yêu cầu độ chính xác cao như lưới GNSS quốc gia, lưới nghiên cứu chuyển dịch hiện đại vỏ Trái Đất, lưới quan trắc chuyển dịch công trình,…Trong nghiên cứu này, số liệu đo GPS khu vực tỉnh Long An và Hòa Lạc, Hà Nội được kiểm tra chất lượng bằng phần mềm Teqc. Qua quá trình phân tích các kết quả, các vấn đề về đồng hồ máy thu, tầng điện ly, độ thông thoáng của các điểm khi đo được nhận định. Từ đó, người sử dụng có những giải pháp tối ưu đáp ứng cho mục đích sử dụng.
Từ khóa: GPS, số liệu đo GPS, Teqc
Abstract
In fact of GPS data processing, some cases have happened that observation files have been happened that observation files have been not processed, or processed but the quality of results has not met the precision requirements without causes. Those have caused difficulties for both expertizing and funding, especially for high accuracy missions such as national GNSS network, crustal movement observation networks, constructional movement observation networks. In this study, the GPS data in Long An province and Hoa Lac, Ha Noi have been tested for the data quality by Teqc software. Problems with the receiver clock, the ionosphere, the ventilation of observation points have been determined thank to the analysis of the results. Therefore, users have the optimal solution to meet the requirements of the job.
Keywords: GPS, GPS data, Teqc
TS. Bùi Thị Hồng Thắm
Khoa Trắc địa – Bản đồ
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Email: buitham.tnmt@gmail.com
1. Tổng quan
Ngay từ khi ra đời, công nghệ GNSS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Với những ưu điểm hơn hẳn các phương pháp truyền thống, công nghệ GNSS đã được triển khai trong việc như thiết lập lưới khống chế Nhà nước, lưới nghiên cứu chuyển dịch, lưới khống chế phục vụ cho thiết kế xây dựng các công trình,…
Kiểm tra chất lượng là quá trình đánh giá chất lượng số liệu đo. Chất lượng số liệu GNSS phụ thuộc vào nhiều yếu tố như máy thu, vị trí anten, môi trường khí quyển, tín hiệu vệ tinh,… nên việc kiểm tra chất lượng số liệu chủ yếu dựa trên các chỉ tiêu liên quan tới các thông số này. Từ việc đánh giá được chất lượng số liệu đo GNSS, người sử dụng sẽ có những giải pháp tối ưu đáp ứng cho mục đích sử dụng trong từng trường hợp cụ thể.
Trên trường quốc tế, sau khi quan trắc kết thúc ca đo, số liệu được kiểm tra chất lượng. Để giải quyết được vấn đề này người ta đã sử dụng phần mềm Teqc của nhóm chuyên gia UNAVCO (University NAVSTAR Consortium). Mục tiêu bao trùm của các phần mềm này là phân tích số liệu đo đưa ra các chỉ tiêu định lượng nhằm đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường dẫn, tầng khí quyển, thời gian chỉnh lại đồng hồ máy thu.
Đối với việc xử lý số liệu đo GNSS nói chung và GPS nói riêng, việc đánh giá chất lượng số liệu có thể được chia làm 2 phần: phần trước khi đưa số liệu vào tính toán bình sai và sau tính toán bình sai. Trong thực tế xử lý số liệu GNSS ở nước ta, việc đánh giá chất lượng của lưới sau khi tính toán bình sai rất được chú trọng, điều đó đã được cụ thể hóa bằng các quy định kỹ thuật đối với lưới phục vụ cho các mục đích như lưới GPS địa chính, lưới GPS công trình,… thể hiện qua các chỉ tiêu đánh giá độ chính xác như sai số trung phương đơn vị trọng số, sai số trung phương vị trí điểm yếu nhất trong lưới, sai số độ cao của điểm yếu nhất trong lưới sau bình sai, sai số trung phương tương đối chiều dài cạnh yếu nhất của lưới,… Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng số liệu đo đạc GPS trước khi được đưa vào tính toán bình sai thì chưa thực sự được quan tâm đúng mức ở nước ta. Số liệu đo GPS thông thường sau khi đo đạc được sẽ được trút vào máy tính để tính toán bình sai lưới mà chưa qua kiểm tra chất lượng số liệu. Tồn tại điều này do bởi số liệu đo GPS về cơ bản là đạt yêu cầu, lưới nhiều trị đo nên trong trường hợp trong quá trình xử lý số liệu khi trị đo nào không đạt yêu cầu thì sẽ được cắt bỏ. Tuy nhiên thực tế cho thấy, có những tệp số liệu đo không xử lý được hoặc xử lý được song chất lượng thành quả chưa đạt được yêu cầu do đó dẫn đến việc phải đo lại hay đo bổ sung gây ra những khó khăn về chuyên môn cũng như tốn kém về mặt kinh tế.
Qua việc phân tích nêu trên cho thấy, việc đánh giá chất lượng số liệu GNSS trước khi bình sai nói chung là hướng chuyên sâu chưa được quan tâm nhiều ở nước ta. Việc ứng dụng được phương pháp của thế giới cho số liệu Việt Nam thực sự là phương án tiếp cận, tiên tiến và hiệu quả. Vì vậy, trong nghiên cứu này, số liệu GPS của công trình Long An thu bằng máy thu GPS 2 tần số và công trình Hòa Lạc, Hà Nội thu bằng máy thu GPS 1 tần số sẽ được đánh giá chất lượng bằng phần mềm Teqc. Từ việc phân tích số liệu đo bằng phần mềm được thừa nhận trên trường quốc tế sẽ cho ta những kết quả đánh giá chất lượng số liệu một cách định lượng. Từ việc so sánh kết quả nhận được với các hạn sai quy định tương ứng với từng loại tiêu chuẩn để đưa ra những nhận định đối với chất lượng số liệu GPS đo đạc.
2. Khái quát về sai số trong định vị vệ tinh và phần mềm đánh giá và kiểm tra chất lượng số liệu đo GPS chất lượng số liệu đo GPS
2.1. Sai số trong định vị vệ tinh
Trong định vị vệ tinh, các nguồn sai số được chia thành 3 nhóm như sau: Sai số phụ thuộc vào vệ tinh (Sai số đồng hồ vệ tinh, sai qố quỹ đạo vệ tinh và nhiễu cố ý SA); Sai số phụ thuộc vào sự lan truyền tín hiệu (Sai số do tầng điện ly, sai số
hồ máy thu, sai số do lệch tâm pha ăng ten và sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu).
Mặc dù trong quá trình thu tín hiệu vệ tinh, người sử dụng đã dùng các biện pháp khác nhau nhằm loại trừ hay hạn chế những nguồn sai số này như kiểm tra máy thu và các trang thiết bị trước khi đo, sử dụng máy thu có ăng ten gồm các vòng xoáy tròn (choke-ring), hay bố trí các điểm đo xa các vật dễ phản xạ tín hiệu nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của đa đường dẫn,… Tuy nhiên, các nguồn sai số này vẫn không thể được loại trừ hết trong các tệp số liệu đo GNSS.
2.2. Phần mềm Teqc
Teqc là phần mềm nhằm giải quyết các vấn đề khi xử lý số liệu GNSS nói chung và GPS nói riêng. Teqc cho phép người dùng thực hiện các công việc: Chuyển đổi dữ liệu của các tệp có định dạng nhị phân được từ máy thu GNSS sang các tệp dữ liệu đo hay đạo hàng có định dạng chuẩn RINEX; Kiểm tra tệp RINEX; Sửa chữa, biên tập tiêu đề hiện có của tệp RINEX và sửa chữa, biên tập kết quả đầu ra của rệp RINEX; Kiểm tra chất lượng và giá trị các tệp RINEX quan trắc cùng với việc có thể có hoặc không có tệp RINEX đạo hàng hoặc lịch vệ tinh (kiểm tra chất lượng (qc) rút gọn; Teqc không sử dụng thông tin định vị vệ tinh); Kiểm tra chất lượng và giá trị các tệp RINEX quan trắc hoặc các tệp sử dụng dữ liệu lịch vệ tinh trong tệp RINEX đạo hàng (kiểm tra chất lượng (qc) đầy đủ; Teqc sử dụng thông tin định vị vệ tinh); Cắt hoặc ghép nối hai hoặc nhiều tệp RINEX; Tạo ra các tệp RINEX mới với khoảng thời gian thu tín hiệu dài hơn trong khoảng từ 1 giây đến 30 giây.
Các chế độ hoạt động nêu trên có thể thực hiện độc lập hoặc có thể phối hợp với các chế độ hoạt động khác. Sử
liệu thường được làm việc với phần mềm Teqc là dữ liệu dạng RINEX. Teqc là phần mềm miễn phí của UNAVCO. Để sử dụng được phần mềm này, người sử dụng cần download tệp cài đặt từ trang web của tổ chức này (http://www.unavco. org/).
2.3. Giải thích kết quả QC
Quá trình chạy phần mềm Teqc đối với tệp dữ liệu dạng RINEX sẽ cho kết quả là tệp dữ liệu tổng hợp có phần tên tệp là tên của tệp dữ liệu đầu vào, phần mở rộng của tệp có định dạng.**S. Để có được những nhận xét xác đáng về chất lượng số liệu đo, trước tiên cần phải hiểu được ý nghĩa của các thông tin được trình bày trong tệp tổng hợp. Tệp tổng hợp gồm 2 phần chính đó là phần đồ thị và phần thông báo tổng hợp.
2.3.1. Phần đồ thị (ASCII time plot)
Phần đồ thị biểu thị các chỉ tiêu chất lượng tín hiệu thu được của các vệ tinh theo thời gian với các ký hiệu (symbol). Đồ thị này biểu thị chất lượng của tín hiệu vệ tinh trong thời gian 1 giờ 12 phút thu tín hiệu. Phía trên cùng của đồ thị được chia thành các khoảng thời gian và các nhãn cột trong đó có số vệ tinh. Phần dưới dùng của đồ thị ASCII biểu thị thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc của ca đo. Từ đồ thị này cho thấy, các vệ tinh được thu tín hiệu trong tệp số liệu đo đó là vệ tinh 15, 29, 27, 21, 18, 12, 14, 25, 9, 22 và 31.
Một số ký hiệu trong đồ thị 2.1 có ý nghĩa:
- o có ý nghĩa thu được tín hiệu vệ tinh GPS với L1, L2, P2 thậm chí cả C/A hoặc P1. Chất lượng thu tín hiệu tốt cho cả mã và pha sóng tải.
- Dòng Obs, ký hiệu 8 và 9 thể hiện số lượng vệ tinh ở
Bảng 1. Đồ thị ASCII time plot của tệp số liệu 2026.11S
version: Teqc 2016Nov7
SV+|---|---|---+ SV 15|Loooooooooooooooooooooooooo | 15 29|Looooooooooooooooooooooooooooooooo | 29 ……….. 22| Looooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo| 22 31| Looooooooooooooooooooooooooooo| 31 Obs|99aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa999999988888888999999999999999999999888888888|Obs Clk| - - - - |Clk +|---|---|---+ 03:29:45.000 04:41:44.994 2011 Apr 21 2011 Apr 21 Bảng 2. Phần thông báo tổng hợp *********************
QC of RINEX file(s): 2026.11o *********************
4-character ID : (name = CT340) (# = CT340)
Receiver type : Topcon (# = 0220402026) (fw = Nav 2.30 Sig 0.00) Antenna type :
Time of start of window: 2011 Apr 21 03:29:45.000 Time of end of window: 2011 Apr 21 04:41:44.994
diện cho con số từ 10 trở lên.
- Dòng Clk thể hiện đồng hồ máy thu tại thời điểm quan sát. Ký hiệu – hoặc + có nghĩa thiết lập lại đồng hồ máy thu tại thời gian quan sát.
2.3.2. Phần thông báo tổng hợp (Summary Report) Phần này bao gồm các thông số liên quan tới tệp số liệu, các thông số điều khiển đầu vào và các chỉ tiêu mà QC (quality checking) tính được. Một số thông số liên quan tới tệp số liệu như: thời gian bắt đầu; thời gian kết thúc; độ dài ca đo; tọa độ ăng ten; tần xuất thu tín hiệu; số vệ tinh theo dõi. Một phần của phần thông báo tổng hợp có dạng như sau:
2.3.3. Một số chỉ tiêu quan trọng đánh giá chất lượng tệp số liệu đo
- Tổ hợp tuyến tính của L1 và L2 là Mp1 và Mp2 chứa khúc xạ đa phương và phần nhiễu của máy thu. Khúc xạ đa
có chu kỳ dài hơn nhiễu máy thu và được lặp lại theo ngày. Theo [5], các giá trị Mp1 và Mp2 phải nhỏ hơn hoặc bằng giá trị hạn sai cho phép tương ứng là 0.699214 m và 0.550381 m.
- Thời gian chỉnh lại đồng hồ máy thu (avg time between resets) là khoảng thời gian giữa hai thời điểm chỉnh lại đồng hồ. Đồng hồ càng chính xác, sai số nhỏ thì thời gian chỉnh lại đồng hồ càng lớn và ngược lại. Thời gian chỉnh lại đồng hồ máy thu theo [5] ít nhất là 10 giây.
- Tỉ số trị đo trên trượt điện ly là o/s. Số trượt điện ly có tầm quan trọng hơn so với toàn bộ số trượt tín hiệu bởi chỉ có chúng xuất hiện trên số liệu đo pha. Tỷ số trị đo so với trượt điện ly thông thường có giá trị khoảng vài trăm [5].