Vói sự phát triển bùng nổ của hệ thống hạ tầng mạng viễn thông về cả chất lƣợng và giá thành. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng mạng viễn thông di động trong GPS. Nhƣ ứng dụng đƣờng truyền này để truyền tải các thơng tin thuộc tính, bản đồ nền (Maps trên android của Google, Maps trên IOS của Apple…). Trong đó, các ứng dụng khả năng thay thế phƣơng thức về truyền tải dữ liệu phƣơng pháp truyền thống sử dụng sóng radio bằng hệ thống hạ tầng mạng viễn thông di động từ máy Base đến máy Rover trong đo đạc GPS để có độ chính xác cao (cỡ cm) hiện nay cũng đã có nhiều nghiên cứu và ứng ở trong và ngoài nƣớc.
Trên phạm vi quốc tế đã có những nghiên cứu và ứng dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong đo đạc GPS. Các nghiên cứu này cũng tập trung vào lý thuyết về nguyên tắc đo GPS động thời gian thực, các hạn chế và ƣu điểm của phƣơng pháp này khi sử dụng sóng radio và hạ tầng mạng viễn thông di động, nghiên cứu băng thông đƣờng truyền của mạng viễn thông di động, cấu trúc dữ liệu đầu ra của thiết bị GPS phù hợp với giao thức truyền tải dữ liệu. đánh giá về khoảng cách ảnh hƣởng độ chính xác, ảnh hƣởng của môi trƣờng đặt biệt là tầng điện ly tác động đến sai số. Các hệ thống thử nghiệm sử dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong truyền dữ liệu phục vụ đo đạc GPS thời gian động kể đến nhƣ hệ thống ACOS của Bỉ và hệ thống SAPOS của Đức [10, 11, 16, 17].
Cịn ở Việt Nam hiện nay đã có một số đơn vị ứng dụng hệ thống truyền tải dữ liệu sử dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong đo đạc GPS. Đơn cử với hệ thống trạm tham chiếu ảo (VRS) với hệ thống này xử lý cạnh đến hàng chục và có thể đến trăm km.
Công nghệ trạm tham chiếu ảo (VRS) là sự phát triển tiếp theo của công nghệ RTK trên cơ sở xây dựng mạng lƣới cơng nghệ RTK với ít nhất 03 trạm quy chiếu, cịn các tọa độ khơng gian của các trạm quy chiếu đƣợc xác định với độ chính xác cao trong hệ tọa độ ITRF. Các máy thu trên các trạm quy chiếu là các máy thu hai tần số [9].
Tuy nhiên hệ thống này khi sử dụng nhiều trạm Base thì các dữ liệu đƣợc truyền tải từ Base đến Server có cấu trúc khác với dữ liệu truyền tải trong hệ thống
này. Trong trƣờng hợp sử dụng một Base (Single Base) thì hệ thống này về bản chất tƣơng tự với đề luận văn tuy nhiên đòi hỏi phải đầu tƣ cao về thiết bị phần cứng, phần mềm và con ngƣời.
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC
SỬ DỤNG HẠ TẦNG MẠNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG 2.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp đo GPS động thời gian thực
Trong đo đạc bằng cơng nghệ GPS có hai nhóm phƣơng pháp đo chính là: - Đo GPS tuyệt đối: Là phƣơng pháp xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ tồn cầu WGS-84. Ngun lí cơ bản của phƣơng pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách đo đƣợc giữa vệ tinh và ăng-ten của máy thu làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt đất. Phƣơng pháp đinh vị tuyệt đối của GPS thực chất là phƣơng pháp giao hội nghịch trong khơng gian. Do đó, ở mỗi máy thu, chỉ cần xác định 03 khoảng cách đến ba vệ tinh khác nhau là định vị đƣợc, tức là máy thu sẽ nằm trên giao điểm của ba đƣờng trịn có tâm lần lƣợt là ba vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ các vệ tinh đến máy thu. Để sử dụng cho cơng tác đo đạc chính xác cao thì cần thiết bị có giá thành cao thời gian đo kéo dài có thể đến vài ngày liên tục và cần số liệu lịch vệ tinh chính xác nên khó có thể sử dụng trong thực tế cho đo đạc địa chính. Do nhiều nguồn sai số nên khi đo đạc trong khoảng thời gian ngắn, độ chính xác vị trí điểm thấp (sai số khoảng 5-15 m), khơng dùng đƣợc cho việc đo đạc chính xác, chỉ dùng cho mục đích dẫn đƣờng và các mục đích khác với yêu cầu độ chính xác khơng cao. Đối với phƣơng pháp này chỉ dùng một máy để thu tín hiệu vệ tinh [1].
- Đo GPS tƣơng đối: Thực chất của phƣơng pháp đo là xác định hiệu toạ độ
không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 của đầu khoảng cách cần đo (Baseline) và sử dụng nguyên tắc đồng ảnh hƣởng (trong phạm vi ngắn thì các ảnh hƣởng nhƣ mơi trƣờng, độ ẩm, nhiệt độ, tầng điện ly,…) đến các thiết bị là nhƣ nhau. Do đó, độ chính xác của phƣơng pháp này là rất cao do loại trừ đƣợc nhiều nguồn sai số nên đƣợc sử dụng trong đo đạc xây dựng lƣới khống chế trắc địa và công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong
một thời điểm đo. Tuỳ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà ngƣời ta chia thành 4 dạng đo tƣơng đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (Fast – Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic). Tuỳ từng dạng lƣới mà sử dụng phƣơng pháp đo thích hợp [1].
2.1.1. Phương pháp đo tĩnh (static)
Trong kỹ thuật đo tĩnh, một máy thu đặt ở điểm đã biết toạ độ (gọi là Base receiver) và máy thu thứ 2 đặt tại điểm cần xác định toạ độ (gọi là Remote receiver). Nếu có nhiều hơn hai máy thu thì có thể bổ sung thêm các Base receiver hoặc Remote receiver.
Khi kỹ thuật đo tĩnh đòi hỏi các máy thu phải cùng đo đồng thời một khoảng thời gian khá lâu (từ 30 phút tới thậm chí vài ngày) để có thể tính đƣợc số ngun chu kỳ. Khoảng thu tín hiệu (logging interval) thƣờng đƣợc chọn là 15-20s. Thời gian đo phụ thuộc vào số lƣợng vệ tinh, đồ hình vệ tinh, chiều dài cạnh đáy, loại máy thu (1 tần số hay là 2 tần số), yêu cầu về độ chính xác,… Cần chú ý là trong q trình đo phải có tối thiểu 4 vệ tinh cùng đƣợc nhìn thấy từ Base receiver và Remote receiver.
Hình 2.1: Sơ đồ kỹ thuật đo tĩnh [1]
2.1.2. Phương pháp đo tĩnh nhanh (fast static)
phƣơng pháp đo tĩnh nhanh vì nó đƣợc đo trong khoảng thời gian ngắn, tùy thuộc vào các loại thiết bị, yêu cầu của các loại bản đồ và cạnh Base line mà thời gian đo có thể kéo dài từ 1 đến 2 tiếng.
2.1.3. Phương pháp đo động (Kinematic)
Ra đời từ năm 1985 song đến những năm 1990 phƣơng pháp này mới đƣợc áp dụng rộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTF (on-the-fly). Ở Mỹ, kỹ thuật đo động đƣợc triển khai thử nghiệm từ năm 1997. Phƣơng pháp đo dựa trên nguyên lý định vị tƣơng đối.
Cơ sở định vị động dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kỳ đo (epoch), đƣợc nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến. Sự thay đổi đó tƣơng đƣơng với sự thay đổi khoảng cách địa diện đến vệ tinh.
Phƣơng pháp này cho phép xác định vị trí tƣơng đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vịng từ 5 đến 15 giây tuỳ thuộc vào tần suất ghi tín hiệu. Theo phƣơng pháp này chỉ cần có ít nhất 2 máy thu. Để xác định đƣợc số nguyên chu kỳ của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết, tức là nối 2 điểm đã biết toạ độ. Sau khi đã xác định đƣợc số ngun chu kỳ thì nó đƣợc giữ ngun để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt ca đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo chỉ vài chục giây, không phải thời gian dài nhƣ phƣơng pháp đo tĩnh.
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 đƣợc gọi là máy cố định (Base station). Ở điểm cuối cạnh đáy, ta đặt máy thu thứ hai cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong vòng từ 20s đến 60s. Việc làm này gọi là khởi đo (initialization). Tiếp đó cho máy di động lần lƣợt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm đo, tại mỗi điểm đo dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng 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.
động đều phải đồng thời thu tín hiệu từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt ca đo. Vì vậy tuyến đo phải đƣợc bố trí ở khu vực thống đãng để khơng xảy ra tình trạng thu tín hiệu bị gián đoạn (gọi là trƣợt chu kỳ - cycle slip). Nếu xảy ra trƣờng hợp này là phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác đƣợc thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km và có độ chính xác cỡ centimét là đủ. Trong phƣơng pháp đo động, có thể dùng các kỹ thuật đo khác nhau nhƣ: đo liên tục (continuous), hoặc “dừng và đi” (Stop and Go) hoặc kiểu đo đánh dấu sự kiện (Event Markers)… Trong đó kỹ thuật đo “dừng và đi” đƣợc dùng nhiều trong đo chi tiết để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, đo vẽ mặt cắt địa hình, đo bao các khu vực để kiểm kê diện tích đất sử dụng
Hình 2.2: Sơ đồ kỹ thuật đo GPS động (Kinematic GPS)[1]
Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo (xử lý ngay thực địa hay xử lý trong phòng sau khi đo) mà ngƣời ta chia làm 2 dạng:
1. Đo GPS đc vào thời điểm xử lý số liệu đo (xử lý ngay thực địa)
Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý số liệu gọn nhẹ. Hệ thống Radio Link bao gồm:
+ Radio phát số liệu: là thiết bị phát truyền số liệu đƣợc nối với máy thu vệ tinh trạm tĩnh bằng cáp mềm truyền số liệu và phát số liệu vệ tinh tại trạm tĩnh đến
+ Radio thu số liệu: có nhiệm vụ nhập số liệu truyền từ trạm phát và truyền vào thiết bị xử lý số liệu tại trạm động tại thực địa.
Thiết bị đồng bộ của bộ đo RTK gồm các máy thu phát Radio Link, ví dụ nhƣ Trimtalk 450, Trimtalk 450S, Trimtalk 900 của hãng Trimble [1].
Với phƣơng pháp RTK thì tầm hoạt động của máy di động bị hạn chế (chỉ khoảng 5km). Nếu thiết lập thêm một trạm thu phát trung gian thì tầm hoạt động của máy đo có thể lên đến 10km.
Ngồi việc đo toạ độ điểm khống chế, đo chi tiết thực địa, thì phƣơng pháp RTK cịn có tính năng cắm điểm có toạ độ thiết kế trƣớc ra thực địa và dẫn đƣờng có độ chính xác cao.
2. Đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic GPS)
Phƣơng pháp này thì toạ độ các điểm đo có đƣợc sau khi xử lý số liệu trong phịng, do vậy khơng sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link. Tầm hoạt động của máy di động có thể lên tới 50km.
Với phƣơng pháp này thì máy thu di động có năng suất lao động cao, rất phù hợp cho việc phát triển lƣới khống chế cấp đƣờng chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo vẽ chi tiết bản đồ địa hình và bản đồ địa chính.
2.1.4. Phương pháp đo giả động
Phƣơng pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tƣơng đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhƣng độ chính xác định vị không bằng phƣơng pháp đo động. Trong phƣơng 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, còn máy di động đƣợc chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong vịng 5-10 phút.
Sau khi đo hết lƣợt, máy đo động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trƣớc đó, nhƣng phải bảo đảm sao cho khoảng thời gian giãn cách giữa 2 lần đo tại mỗi điểm khơng ít hơn một tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này, đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định số nguyên đa trị, còn 2 lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn
cách nhau một tiếng đồng hồ có tác dụng có tác dụng tƣơng đƣơng nhƣ phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng. Yêu cầu nhất thiết cho phép đo này là phải có đƣợc ít nhất là 4 vệ tinh chung cho cả 2 lần đo tại mỗi điểm quan sát.
Điều đáng chú ý là máy di động khơng nhất thiết phải thu tín hiệu liên tục trong suốt cả chu kỳ đo mà chỉ thu trong vịng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc di chuyển từ điểm nọ sang điểm kia. Điều này cho phép áp dụng phƣơng pháp ở cả những khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tƣơng đối nhỏ so với lƣợng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và bảo đảm số lƣợng vệ tinh chung cho cả 2 lần đo phải có ít nhất đƣợc 4 vệ tinh.
Trong đo đạc địa chính tùy thuộc vào cơng việc của từng giai đoạn chúng ta có thể áp dụng các phƣơng pháp đo khác nhau nhằm đảm bảo độ chính xác của bản đồ địa chính. Với giai đoạn thiết kế lƣới địa chính, lƣới giải tích, lƣới khống chế đo vẽ, ta có thể áp dụng phƣơng pháp đo tĩnh, đo tĩnh nhanh để xác định tọa độ. Với giai đoạn đo chi tiết chúng ta có thể áp dụng phƣơng pháp đo động xử lý sau hoặc phƣơng pháp đo động thời gian thực để xác định tọa độ.
Bảng 2.1: Bảng tổng hợp về các phương pháp đo GPS [1] Kiểu đo Số vệ tinh tối thiểu Thời gian đo tối thiểu Độ chính xác đạt đƣợc Các đặc trƣng khác Đo tĩnh (Static) 4 1 giờ - 1 tần số: 5mm+1ppm - 2 tần số: 5mm+0.5ppm - Máy một tần số cho độ chính xác tốt nhất với S 10km Đo tĩnh nhanh (Fast static) 4 8’- 30’ 5-10mm+1ppm (phụ thuộc vào thời
gian đo) Các thủ tục đo nhƣ phƣơng pháp đo tĩnh Đo động xử lý sau (GPS-PPK) 4 2 trị đo 1cm+1ppm
- Khoảng cách tối đa 50km - Cần khởi đo trên cạnh đáy đã biết hoặc bằng đo tĩnh nhanh trên cạnh chƣa biết
Kiểu đo Số vệ tinh tối thiểu Thời gian đo tối thiểu Độ chính xác đạt đƣợc Các đặc trƣng khác Đo động thời gian thực (GPS-RTK) 4 1 trị đo 1cm+1ppm
- Khoảng cách đo phụ thuộc vào Radio Link, < 10km - Cần khởi đo trên điểm đã
biết toạ độ hoặc đo tĩnh nhanh Đo DGPS xử lý sau (PPK-DGPS) 4 2 trị đo
- 0.5m với máy thu Everest Maxwel, với 5
vệ tinh, PDOP<4 - 13m đối với máy thu
khác cùng điều kiện
- Không cần thu liên tục vệ tinh
- Khơng cần Radio Link truyền sóng Đo DGPS thời gian thực (RTK-DGPS) 4 1 trị đo
- 0.5m với máy thu Everest Maxwel, với 5
vệ tinh, PDOP<4 - 13m đối với máy thu
khác cùng điều kiện
- Không cần thu liên tục vệ tinh
- Không cần Radio Link truyền song Các giá trị ghi trong bảng dựa trên kết quả mới nhất với thiết bị đo của hãng Trimble [18].
2.1.5. Nguyên lý của phương pháp đo GPS động thời gian thực
Trong các cơng nghệ mới về đo đạc thì điển hình nhất và đƣợc áp dụng rộng