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 dữ liệu gọn nhẹ. Số nguyên đa trị được xác định nhanh nhờ giải pháp khởi đo và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu 4 vệ tinh trong khi di chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo các điểm này rất ít, chỉ cần một trị đo. Nếu việc theo dõi vệ tinh bị gián đoạn thì số nguyên đa trị sẽ mất và phải xác định lại. Do phải dùng Radio Link tryền số liệu nên tầm hoạt động của máy cũng bị hạn chế khoảng dưới 5 kilomet. Ngoài việc đo tọa độ điểm khống chế, chi tiết thực địa phương pháp này cịn có tính năng cắm điểm có tọa độ thiết kế trước ra ngồi thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao.
b. Đo động xử lý sau:
Đây là phương pháp đo sử dụng máy đo giống như phương pháp GPS đo động xử lý tức thời để đo một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách di chuyển máy thu đến các điểm cần xác định tọa độ. Tọa độ của các điểm cần đo có được sau khi xử lý số liệu trong phịng do vậy khơng sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link. Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiến hành việc khởi động đo xác định số nguyên đa trị bằng cách đo tĩnh trên một đoạn thẳng sau đó mới đến đo các điểm cần xác định tọa độ với thời gian
20
ngắn, tối thiểu đo hai trị đo. Trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo máy đo di động cần phải thu tín hiệu liên tục tối thiểu từ 4 vệ tinh.
Nếu trong quá trình di chuyển đến các điểm cần đo tín hiệu của 1 trong 4 vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất, do đó phải khởi đo lại bằng cách máy thu quay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới. Tầm hoạt động của máy di động có thể đạt tới 50 km. Với kỹ thuật này máy thu di động có năng suất lao động cao hơn nhiều, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo chi tiết bản đồ địa hình.
1.3. Các nguồn sai số trong đo GPS
Trong định vị vệ tinh, các nguồn sai số được chia thành 3 nhóm: sai số do vệ tinh, sai số do sự lan truyền tín hiệu và sai số liên quan đến máy thu. Ngồi 3 nhóm nguồn sai số này cịn có các sai số do người đo ảnh hưởng đến kết quả đo GPS như: cân bằng máy, đo cao anten, đặt nhầm điểm… Các nguồn sai số trên đều có thể được khắc phục để đảm bảo độ chính xác cho kết quả đo GPS. Sau đây sẽ đi chi tiết về các nguồn sai số đó.
Bảng 1.2: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh
Nhóm sai số Gồm các nguồn sai số
1 Sai số phụ thuộc vào vệ tinh
Sai số đồng hồ vệ tinh Sai số quỹ đạo vệ tinh Nhiễu cố ý SA
2 Sai số phụ thuộc vào sự lan
truyền tín hiệu
Sai số do tầng điện ly Sai số do tầng đối lưu Sai số do đa đường dẫn
3 Sai số liên quan tới máy thu
Sai số đồng hồ máy thu Sai số do lệch tâm pha anten Sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu
21
1.3.1. Sai số phụ thuộc vào vệ tinh
a. Sai số đồng hồ vệ tinh
Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian. Trong đó khoảng cách bằng sóng ánh sáng, hay sóng điện từ, sai số thời gian có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác khoảng cách đo. Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử chính xác, tuy vậy do sự không ổn định của bộ tạo dao động nguyên tử nên các đồng hồ này vẫn có thể có sai số trong hệ thống giờ GPS. Hiện nay trên các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử rubidium
hay censium thường có biên độ sai số đồng hồ khoảng 10-14
s.
Sai số đồng hồ vệ tinh được mơ hình hóa bởi đa thức đồng hồ theo công thức:
δj(t) = a0 + a1(t - toe) + a2(t - toe)2 + δrel
(2.1)
Trong đó: t là thời điểm xét; toe là thời điểm lịch vệ tinh; δrel là số hiệu
chỉnh do hiệu ứng thuyết tương đối vào đồng hồ vệ tinh.
Trong định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệu chỉnh vào khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị. Trong định vị tương đối để loại bỏ ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ hai trạm quan sát đến cùng một vệ tinh.
b. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Sai số do quỹ đạo vệ tinh gây ra được hiểu là khi ta tính được tọa độ của vệ tinh nhưng lại không đúng với tọa độ thật của nó (chứa sai số khoảng 2,5m) đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh.
Các vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo có độ cao cách mặt đất khoảng 20200 km. Ở độ cao như vậy, vận tốc vệ tinh khoảng 3,8 km/s. Quỹ đạo vệ tinh GPS được mơ hình hóa bởi sáu yếu tố quỹ đạo Kepler. Khi định vị sử dụng lịch vệ tinh quảng bá, mặc dù lịch vệ tinh này cung cấp 16 tham số quỹ đạo dựa trên 6 yếu tố quỹ đạo Kepler và liên tục được cập nhật lại sau hai
giờ nhờ đoạn điều khiển, nhưng tọa độ vệ tinh Xj
22
vẫn chứa sai số khoảng 2,5 m, đó chính là sai số quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh. Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến kết quả định vị tuyệt đối, nhưng được giảm thiểu trong định vị tương đối.
Theo thông báo của IGS, hiện nay Mĩ có thể cung cấp quỹ đạo vệ tinh GPS ở chế độ tức thời với độ chính xác xấp xỉ 10 centimet và sai số đồng hồ cỡ 5 ns với giãn cách 15 phút. Đây chính là cơ sở để định vị tuyệt đối chính xác tức thời với độ chính xác cao.
Trong định vị tương đối, một số nguồn sai số hệ thơng có thể được mơ hình hóa và làm giảm trong q trình quan trắc. Một số khác có thể được loại bỏ nhờ xử lý thích hợp khi phối hợp các trị đo. Thí dụ như khi lấy hiệu số (sai phân) giữa các máy thu đồng thời sẽ loại bỏ được sai số sai lệch do máy thu. Còn khi lấy hiệu số bậc hai của khoảng cách giả (sai phân bậc cao) sẽ tự loại bỏ được sai số hệ thống gây ra do cả vệ tinh và máy thu.
Để tính các hệ số phương trình số hiệu chỉnh trong định vị tương đối cần biết tọa độ vệ tinh tại các thời điểm đo. Sai số tọa độ vệ tinh ảnh hưởng đến độ chính xác xác định cạnh theo cơng thức sau:
(2.2)
Trong đó:
mS là sai số tọa độ vệ tinh (Sai số quỹ đạo vệ tinh) ρ là khoảng cách từ máy thu (A) đến vệ tinh
là sai số tương đối chiều dài cạnh đo (baseline).
Nếu sai số vị trí vệ tinh khoảng 2 mét, với khoảng cách ρ xấp xỉ 20.000
km, ta có sai số tương đối chiều dài cạnh đo xấp xỉ 10-7. Trong trường hợp
cần xử lý với độ chính xác cao, người ta phải sử dụng lịch vệ tinh chính xác cho sai số quỹ đạo trong khoảng 5- 10 cm.
c. Ảnh hưởng của nhiễu cố ý SA
Nhiễu cố ý SA được tạo ra nhằm giảm độ chính xác định vị tuyệt đối bằng cách làm sai lệch đồng hồ vệ tinh và tác động vào việc lập lịch vệ tinh.
23
Song từ ngày 20/5/2000, Mỹ đã chính thức bỏ chế độ nhiễu cố ý SA do đó độ chính xác định vị GPS tuyệt đối đã được cải thiện đáng kể.
d. Ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh
Khi định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả, sai số vị trí điểm định vị được tính theo cơng thức:
mP= ±µ.PDOP (2.3) Trong đó:
µ đặc trưng cho sai số đo khoảng cách giả
PDOP đặc trưng cho ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh.
Cần lưu ý rằng công thức trên chưa xét đến ảnh hưởng của sai số tọa độ vệ tinh đến độ chính xác định vị tuyệt đối.
1.3.2. Sai số phụ thuộc vào mơi trƣờng lan truyền tín hiệu
a. Ảnh hưởng của tầng điện ly
Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau. Tầng điện ly là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 – 1000 km, tầng điện ly có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng điện ly tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng điện ly. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng điện ly đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải dựa vào các tham số mơ hình phát đi trong thơng báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng điện ly. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng điện ly, trị đo giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.
b. Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mơ hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số, chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô, ảnh hưởng của chiết suất khơ được tạo thành mơ hình loại
24
trừ nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mơ hình và loại bỏ trong trị đo GPS.
c. Ảnh hưởng do đa đường dẫn
Đó là những tín hiệu từ vệ tinh khơng đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu. Như vậy kết quả đo không đúng, để tránh hiên tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thơng
thống với góc ngẩng cao hơn 15ᴼ . Việc chọn góc ngẩng như thế này nhằm
giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang khí quyển và hiện tượng đa tuyến. Hầu hết anten GPS gắn bảng dạng phẳng, trịn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên.
1.3.3. Sai số liên quan tới máy thu
a. Sai số đồng hồ máy thu
Tinh thể thạch anh được sử dụng để chế tạo ra bộ dao động của đồng hồ máy thu GPS. Do đó, độ ổn định của đồng hồ máy thu thấp hơn so với đồng hồ vệ tinh. Sai số do đồng hồ máy thu sẽ gây ra sai số trong các trị đo GPS. Để khắc phục ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu đến kết quả định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả, người ta coi sai số đồng hồ máy thu là ẩn số thứ tư trong bài tốn định vị, nhờ đó về cơ bản đã loại bỏ được ảnh hưởng này, tuy nhiên vẫn còn lại một phần ảnh hưởng thể hiện qua sai số của chính ẩn số đó.
Trong định vị tương đối theo pha sóng tải nhờ sử dụng phương trình sai phân bậc 2 nên về cơ bản cũng đã loại bỏ được ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu.
b. Sai số do lệch tâm pha anten
Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện tử. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này. Điều này có ý nghĩa quan trọng, ở nhà máy chế tạo anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó, tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mơ hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định
25
cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng và tốt nhất là sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo.
c. Sai số do nhiễu tín hiệu
Máy thu GPS là một thiết bị điện tử gồm có phần cứng và phần mềm, do đó trong q trình làm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc khơng ổn định. Như chúng ta đã biết trong mơi trường lan truyền tín hiệu ln có các sóng điện từ như các trạm phát sóng, do sấm chớp… sẽ tạo ra nhiễu tín hiệu. Tỷ lệ tín hiệu này được tính:
SNR = (2.4)
Trong cơng thức trên S là độ mạnh tín hiệu của các vệ tinh GNSS cịn Nh
là các tín hiệu nhiễu.
Trong chiến tranh lạnh, đối phương có thể sử dụng các thiết bị tạo ra các tín hiệu giả ở tần số L1, L2 gây nhiễu cho các máy thu GPS trong một phạm vi nhất định. Nếu tín hiệu gây nhiễu có cường độ mạnh làm giảm tỷ số SNR, khi đó có thể gây cản trở sự làm việc bình thường của các máy thu GPS. Để khắc phục vấn đề này công ty NovAtel đã chế tạo ra một số máy thu quân sự, sử dụng công nghệ chống nhiễu GAJT.
Phần cứng máy thu gây ra độ trễ thời gian trong máy thu do tín hiệu lan truyền trong đó. Ngồi ra sai số do nhiễu của máy thu ảnh hưởng ngẫu nhiên đến các trị đo GPS.
Theo tính tốn, đối với các máy thu GPS thơng thường ảnh hưởng của nhiễu máy thu vào khoảng 1% bước óng của tín hiệu, theo đó người ta đã thống kê mức độ nhiễu máy thu với các tín hiệu C/A- code, P- code và sóng tải như bảng dưới:
26
Bảng 1.3: Mức độ ảnh hưởng của nhiễu máy thu đến các tín hiệu GPS
Tín hiệu Bước sóng Mức độ nhiễu
máy thu
C/A- code ≈ 300 m ≈ 3 m
P- code ≈ 30 m ≈ 30 cm
Sóng tải (L1, L2..) ≈ 20 cm ≈ 2 mm
1.4. Các ứng dụng GPS trong đo đạc bản đồ
1.4.1. Ứng dụng trong thành lập lƣới khống chế tọa độ
1.4.1.1. Thành lập lưới địa chính
Lưới địa chính được thành lập trên cơ sở các điểm tọa độ địa chính cơ sở hoặc lưới khống chế nhà nước cấp cao hơn, giúp tăng dày mạng lưới khống chế và làm cơ sở phát triển mạng lưới khống chế đo vẽ.
Với độ chính xác quy định đối với lưới địa chính tại quy định thành lập bản đồ địa chính của Bộ Tài nguyên và Mơi trường [1] thì có thể áp dụng phương pháp đo tĩnh hoặc tĩnh nhanh để đo đạc mạng lưới.
Do các máy đo GPS được sản xuất có độ chính cao, giá thành ngày càng rẻ, đồng thời tốn ít thời gian, nhân lực hơn so với phương pháp toàn đạc nên hầu hết mạng lưới địa chính hiện nay đều được thành lập bằng công nghệ GPS.
1.4.1.2. Thành lập lưới khống chế đo vẽ
Lưới khống chế đo vẽ được lập nhằm tăng dày thêm các điểm tọa độ để đảm bảo cho việc lập bản đồ địa chính bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp tại thực địa hoặc tăng dày điểm khống chế ảnh để đo vẽ bổ sung ngồi thực địa khi lập bản đồ địa chính bằng phương pháp ảnh hàng không kết hợp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa.
Do việc thành lập lưới khống chế đo vẽ bằng phương pháp đường chuyền tồn đạc tốn thời gian, nhân lực và khơng hiệu quả do phải thiết kế thêm nhiều điểm trung gian nên nếu điều kiện đo cho phép thì sử dụng
27
phương pháp đo GPS sẽ đảm bảo tính hiệu quả hơn.
Sử dụng phương pháp đo GPS tĩnh, đo tĩnh nhanh hoặc đo động tùy theo yêu cầu độ chính xác khi thành lập bản đồ địa chính và điều kiện trang thiết bị.
1.4.2. Ứng dụng trong đo vẽ chi tiết