CHƯƠNG 3 :KỸ THUẬT ĐO GPS ĐỘNG VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐO
3.1. KỸ THUẬT ĐO GPS ĐỘNG
3.1.1. Giới thiệu chung về đo GPS động
Đo GPS động là một dạng của phương phỏp đo GPS tương đối, đú là phương phỏp xỏc định hiệu toạ độ trong hệ toạ độ GPS từ điểm cần xỏc định toạ độ đến điểm gốc đó cú toạ độ dựa trờn cơ sở cỏc số liệu vệ tinh được thu nhận đồng thời từ 2 mỏy thu đặt trờn 2 điểm đú trong một khoảng thời gian nhất định. Toạ độ của điểm đo sẽ nhận được trong phũng sau khi xử lý số liệu đo thực địa bằng phần mềm xử lý chuyờn dụng. Kiểu đo như vậy được gọi là đo GPS tương đối dạng tĩnh và toạ độ điểm đo cú thể đạt độ chớnh xỏc cao (cỡ 5mm+1ppm). Tuy đạt độ chớnh xỏc cao nhưng do cần phải mất nhiều thời gian đo để thu nhận được một số lương lớn trị đo (tối thiểu 240 trị đo trong 1 giờ) nờn cỏch đo này chưa đỏp ứng được cỏc yờu cầu riờng trong việc xỏc định toạ độ điểm đo với độ chớnh xỏc đó định và trong một khoảng thời gian đo ớt hơn nhiều. Đo GPS tương đối dạng động chớnh là một giải phỏp thoả món yờu cầu nờu trờn và mang tớnh hiệu quả hơn vỡ thời gian đo ngắn hơn nhưng vẫn đảm bảo độ chớnh xỏc theo yờu cầu của một số dạng cụng việc cụ thể.
Sự khỏc nhau cơ bản giữa đo GPS động và đo GPS tĩnh chớnh là yếu tố thời gian đo. Tuy độ chớnh xỏc thấp hơn một chỳt ( cỡ Cm) nhưng số lượng điểm đo được tăng lờn nhiều trong một khoảng thời gian ngắn. Do vậy đo GPS động được xem là một giải phỏp khả thi trong một số dạng cụ thể của cụng tỏc Trắc địa -Địa hỡnh núi chung và núi riờng đối với cỏc cụng tỏc Trắc địa cụng trỡnh.
Đo GPS động được chia ra 2 phương phỏp chớnh: - Đo động xử lý sau (Postprocessing Kinematic - PPK) - Đo động tức thời (Real time Kinematic - RTK)
Trong đo động lại cú nhiều kỹ thuật đo khỏc nhau như : + Đo dừng và đi (Stop and Go):
Theo cỏch này thỡ mỏy di động phải dừng (đứng yờn) trong một khoảng thời gian nhất định để thực hiện việc thu tớn hiệu và cần phải cú bộ điều khiển đo đi kốm. Phương phỏp “đo dừng và đi” được dựng nhiều trong đo chi tiết để thành lập bản đồ địa hỡnh, bản đồ địa chớnh; đo vẽ mặt cắt địa hỡnh; đo bao cỏc khu vực để kiểm kờ diện tớch đất sử dụng…vv
+ Đo liờn tục (Continuous): Theo cỏch này thỡ mỏy di động vẫn thu tớn hiệu trong khi đang di chuyển liờn tục. Kỹ thuật đo này được ứng dụng để xỏc định toạ độ cỏc đối tượng động, chuyển động đều và ớt thay đổi độ cao như cỏc tàu, thuyền, mỏy bay, ụ tụ.
+ Đo kiểu đỏnh dấu sự kiện (Events markers) ...vv
Phương phỏp đo kiểu “đỏnh dấu sự kiện” được sử dụng trong việc xỏc định toạ độ tức thời của cỏc đối tượng động, phối hợp với thiết bị khỏc, thớ dụ xỏc định toạ độ tõm chụp của mỏy ảnh hàng khụng khi cửa chớp nhanh của mỏy ảnh mở
Mỗi phương phỏp đo hay kỹ thuật đo khỏc nhau, ngoài cỏc mỏy thu GPS cũn đũi hỏi phải cú cỏc thiết bị chuyờn dụng kốm theo.
3.1.2. Cỏc phương phỏp đo và thiết bị dựng trong đo GPS động
3.1.2.1. Cỏc phương phỏp đo GPS động
Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo mà cú thể chia ra 2 phương phỏp đo GPS động như sau:
Phương phỏp này cho phộp giải được toạ độ điểm đặt mỏy trạm động ngay tại thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu vệ tinh thu được tại trạm cố định và trạm di động thụng qua bộ xử lý số liệu chuyờn dụng đi kốm với trạm động tại thực địa. Phương phỏp này cần phải cú hệ thống truyền tớn hiệu vụ tuyến (Rađio link) để truyền liờn tục số liệu thu được tại trạm tĩnh đến thiết bị xử lý số liệu tại trạm động (Hỡnh 3.1)
- Đo GPS động xử lý sau (PPK -Postprocesing Kinematic)
Phương phỏp này cho phộp thu nhận toạ độ điểm đo với độ chớnh xỏc cỡ cm trờn cơ sở xử lý số liệu vệ tinh thu được tại trạm cố định và trạm động sau khi đo thực địa bằng phần mềm xử lý số liệu chuyờn dụng (xử lý số liệu trong phũng). Trong phương phỏp này, thời gian thu tớn hiệu vệ tinh tương đối ngắn (tối thiểu 2 trị đo) và trong quỏ trỡnh đo tại thực địa khụng cần đến hệ thống thu phỏt tớn hiệu vụ tuyến (Rađio link)
Hỡnh 3.1. Đo GPS RTK
3.1.2.2. Thiết bị dựng trong đo GPS động
+ Khi đo động tức thời (RTK) cần cú cỏc mỏy múc và thiết bị sau:
- 01 mỏy thu GPS (cú chức năng đo động) - Nguồn điện (pin hoặc acquy)
- Chõn mỏy, đế mỏy cú dọi tõm quang học và bộ nối đế mỏy với mỏy thu
- Bộ điều khiển đo (đối với cỏc mỏy thu thế hệ mới) kốm theo cỏp nối - Thước chuyờn dụng để đo chiều cao mỏy
- Mỏy phỏt tớn hiệu vụ tuyến (Radio-Link) b) Tại trạm động (trạm Rover):
- 01 mỏy thu GPS
- 01 sào đo cú kốm bọt thuỷ trũn + giỏ chống đỡ - Nguồn điện (pin hoặc acquy)
- Bộ điều khiển đo (đối với cỏc mỏy thu thế hệ mới) kốm theo cỏp nối - Mỏy phỏt tớn hiệu vụ tuyến (Radio-Link)
3.1.3. Quy trỡnh kỹ thuật đo GPS động
Khi đó cú cỏc thiết bị cần thiết, cú thể tổ chức đo động để xỏc định toạ độ, độ cao của cỏc vị trớ đặt mỏy động (trạm Rover) trờn cơ sở toạ độ và độ cao đó biết của trạm tĩnh (Trạm Base).
Do yờu cầu quan trọng trong đo GPS động là phải liờn tục theo dừi ớt nhất 4 vệ tinh, do đú trước khi đo cần phải khảo sỏt khu đo để xỏc định điều kiện đo cú đảm bảo hay khụng? Trong khi đo cú thể xảy ra hiện tượng “mất khoỏ tớn hiệu” và phải khởi đo lại hay khụng? cần xem xột đường đi (đường di chuyển của mỏy thu di động) để trỏnh phải đi dưới cỏc tỏn cõy, dưới cỏc vật che chắn tớn hiệu như nhà cửa, tường gạch, cột điện...vv. Quỏ trỡnh tiến hành đo động ngoài thực địa gồm cỏc cụng đoạn chớnh sau:
- Chuẩn bị điểm trạm tĩnh: Điểm được chọn làm trạm tĩnh nờn là điểm
khống chế trong mạng lưới toạ độ nhà nước (hạng I, II, III, IV), hoặc cỏc điểm của lưới chờm dày (cấp 1, cấp 2). Tại cỏc điểm trạm tĩnh cần đảm bảo
thụng thoỏng tốt để thuận lợi cho việc thu tớn hiệu từ 4 vệ tinh trong suốt thời gian đo động. Điểm trạm tĩnh khụng nờn chọn quỏ xa khu đo, tốt nhất cỏch khu đo khụng quỏ 10Km. Một điểm trạm tĩnh cú thể dựng chung cho nhiều trạm động. Hỡnh 3.2. là hỡnh ảnh 1 trạm tĩnh (trạm Base) trong đo GPS động. Nếu là đo động xử lý sau thỡ chưa cần biết toạ độ, độ cao của điểm trạm tĩnh (vỡ nú chỉ cần cho giai đoạn xử lý trong phũng). Nhưng nếu đo động tức thời (RTK) thỡ cần phải biết trước toạ độ, độ cao của điểm trạm tĩnh và một số điểm khỏc phõn bố quanh khu đo để làm thủ tục định chuẩn hệ toạ độ (Site cabliration)
Đo GPS động là một dạng đo GPS tương đối với kết quả là xỏc định được số gia toạ độ trong hệ WGS-84 của điểm trạm động so với điểm trạm tĩnh. Để sử dụng kết quả này trong hệ toạ độ thực dụng (hoặc hệ toạ độ địa phương) cần phải thụng qua bước chuyển đổi và được gọi là thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ
Thủ tục định chuẩn thực chất là cụng việc chuẩn bị trước để giỳp trạm động chuyển đổi ngay ở thực địa từ toạ độ xỏc định được trong hệ WGS-84 về hệ toạ độ thực dụng (hệ HN-72 hoặc VN-2000).
Hỡnh 3.2. Trạm Base trong đo GPS động
Để định chuẩn hệ toạ độ, người ta cú thể sử dụng một tập hợp điểm song trựng, thụng thường sử dụng 4 điểm bố trớ xung quanh khu đo (cũng cú thể nhiều hơn 4 điểm, tối đa là 20 điểm), tại cỏc điểm này ngoài việc xỏc định toạ độ-độ cao trong hệ toạ độ thực dụng cũn đồng thời xỏc định toạ độ-độ cao trong hệ WGS-84.
Trờn cơ sở toạ độ trong cả 2 hệ thống của cỏc điểm song trựng người ta cú thể tớnh được cỏc tham số chuyển đổi toạ độ giữa hệ WGS-84 và hệ thực dụng. Cỏc tham số này sẽ được sử dụng đối với cỏc điểm đo động.
- Cụng tỏc khởi động trạm tĩnh (trạm Base): Trạm tĩnh sẽ được khởi
động trước khi thực hiện thủ tục khởi đo trạm động. Khi thực hiện khởi động trạm tĩnh cần cú bộ điều khiển đo (TDC1 hoặc TSC1...) nối với mỏy thu bằng cỏp chuyờn dụng. Cần xỏc định trước tần suất ghi tớn hiệu (epoch interval), nơi ghi tớn hiệu, gúc ngưỡng chọn vệ tinh...vv. Cỏc tham số này sẽ được cài đặt trước trong bộ điều khiển đo.
Thực hiện cỏc thao tỏc khởi động trạm tĩnh bằng lệnh “Start base
receiver”. Khi nào nhận được trờn màn hỡnh bộ điều khiển đo thụng bỏo
“Base started” cú nghĩa là trạm tĩnh đó khởi động xong. Lỳc này cú thể thỏo bộ điều khiển đo ra khỏi mỏy tĩnh nếu chọn ghi số liệu vào bộ nhớ mỏy thu.
- Thủ tục khởi đo trạm động (trạm Rover): Nếu tiến hành đo động phục
vụ đo vẽ địa hỡnh, mỏy động thường được gắn trờn sào đo. Mỏy thu của trạm động được gắn liờn tục với bộ điều khiển đo bằng cỏp nối chuyờn dụng. Trước khi thực hiện đo hàng loạt điểm phải thực hiện thủ tục khởi đo tại trạm đầu tiờn.
Thủ tục khởi đo là bước làm để xỏc định nhanh số nguyờn lần bước súng từ vệ tinh đến antena mỏy thu dựa vào việc thu tớn hiệu vệ tinh (trị đo
C/A Code và trị đo phase) tại 2 mỏy (trạm tĩnh và trạm động) được đặt và thu tớn hiệu vệ tinh một cỏch đồng thời trờn 2 đầu của một đường đỏy (Baseline). Đường đỏy ở đõy cú thể chọn là 2 điểm đó biết toạ độ, hoặc cú thể là được đo theo phương phỏp đo tĩnh.
Khi đó cú được số nguyờn đa trị thỡ việc giải toạ độ cỏc điểm tiếp theo chỉ cần với một số lượng ớt trị đo (1-2 trị đo) thu nhận được thụng qua một khoảng thời gian đo ngắn. Yờu cầu bắt buộc là trong quỏ trỡnh đo cỏc điểm chi tiết về sau, cả trạm cố định (trạm Base) và trạm động (trạm Rover) đều phải duy trỡ liờn tục việc thu tớn hiệu vệ tinh của ớt nhất 4 vệ tinh
Toạ độ của cỏc điểm đo được tớnh với số liệu đo ớt, do vậy số liệu đo luụn được kiểm tra tại thực địa. Nếu số liệu thu trong điều kiện khụng đảm bảo độ chớnh xỏc (PDOP lớn), thiết bị đo sẽ khụng cho phộp đo. Ngoài ra, khi mất tớn hiệu vệ tinh (mỏy thu đi vào vựng tớn hiệu bị che chắn) hoặc khi số lượng vệ tinh ớt hơn 4 thỡ thụng tin về số nguyờn đa trị sẽ bị mất và việc khởi đo lại phải tiến hành lại. Trước đõy trong những năm đầu sử dụng hệ thống GPS, chất lượng của mỏy thu vệ tinh cũn ở mức hạn chế nờn số nguyờn đa trị chỉ xỏc định được dựa trờn tập hợp số liệu đo đủ lớn, tức là khi đồ hỡnh vệ tinh đang thu tớn hiệu phải thay đổi đủ mức cần thiết. Điều này dẫn đến khụng thể giải nhanh số nguyờn đa trị ngay tại thực địa (do phải kộo dài thờm thời gian đo) để phục vụ cho đo GPS động. Trong những năm gần đõy, khi cỏc thiết bị thu thế hệ mới và cỏc phần mềm xử lý số liệu ngày càng được hoàn thiện thỡ việc giải số nguyờn đa trị được thực hiện rất nhanh và chỉ cần dựa trờn sự thay đổi nhỏ của đồ hỡnh vệ tinh.
Cú thể thực hiện thủ tục khởi đo theo hai phương phỏp sau: - đặt mỏy động tại điểm đó biết (Known point)
Nếu khởi đo tại điểm đó biết, cần biết trước vector khởi đầu từ trạm tĩnh đến trạm khởi đo, gồm cỏc thành phần gia số toạ độ X,Y,Z trong hệ WGS-84.
Trong trường hợp này thời gian khởi đo ngắn, thường chỉ vài phỳt. Nếu khởi đo tại điểm chưa biết, cần phải chờ một thời gian dài hơn, thường là vài chục phỳt cho đến khi nhận được thụng bỏo thủ tục khởi đo đó hồn thành. Thực chất thời gian này tương đương với đo tĩnh để xỏc định vector khởi đầu.
Nếu thực hiện đo động tức thời (RTK), cụng việc khởi đo phức tạp hơn vỡ phải thực hiện thủ tục định chuẩn.
- Thực hiện đo động: Việc đo động cú thể tiến hành theo cỏc kỹ thuật
đo khỏc nhau tuỳ thuộc vào mục đớch của cụng việc đo vẽ. Ở đõy chỉ đề cập tới kỹ thuật đo động “Dừng và đi” (Stop and Go). Mỏy thu di động được gắn trờn sào đo, với chiều cao antena cố định (khoảng 1,8m). Tại mỗi điểm đo, ta dừng lại thu tớn hiệu vệ tinh trong khoảng thời gian ớt nhất là gấp 2 lần tần suất ghi tớn hiệu. Tại mỗi điểm đo cần chỳ ý theo dừi màn hỡnh của bộ điều khiển đo để đảm bảo trạng thỏi của mỏy thu:
- Nếu là thụng bỏo “Roving” thỡ cho phộp di chuyển mỏy thu
- Nếu là thụng bỏo “Point details”, cú thể tạm dừng và ghi cỏc số liệu cần thiết của điểm đo như tờn điểm, độ cao antena...vv
- Nếu là thụng bỏo “Static” thỡ phải giữ mỏy đứng yờn trong thời gian thu tớn hiệu (vài giõy)
Việc thay đổi thụng bỏo được thực hiện bằng phớm OK trờn bộ điều khiển đo (thớ dụ đối với bộ điều khiển đo TDC1)
Trong phương phỏp đo động thời gian thực (RTK), tớn hiệu ở trạm tĩnh được bộ thu-phỏt Rađio chuyển ngay đến mỏy động để xỏc định ra luụn vector cạnh, từ đú xỏc định ra toạ độ điểm trạm động ngay ở thực địa.
Trong quỏ trỡnh đo động cần lưu ý tới cỏc thụng bỏo trờn bộ điều khiển đo, trong đú cần chỳ ý tới MODE trờn màn hỡnh ROVING khi di chuyển:
+ FINE: là đang thực hiện ở chế độ tốt
+ COARCE: là đang thực hiện ở chế độ kộm, sai lớn (đang bị mất khoỏ tớn hiệu)
- Kết thỳc đo động: Sau khi thu tớn hiệu tại tất cả cỏc điểm đo, người đo
sẽ kết thỳc đo bằng lệnh “End Survey”. Mọi số liệu đo đó được ghi sẽ được lưu lại trong bộ nhớ của mỏy thu hoặc bộ nhớ của bộ điều khiển đo. Cỏc số liệu này sẽ được trỳt sang mỏy tớnh để thực hiện cụng đoạn xử lý tiếp theo ở trong phũng.
3.1.4. Cỏc tham số cài đặt khi đo GPS động
Trong phương phỏp đo dừng và đi, thời gian dừng mỏy tại điểm đo chỉ từ vài giõy đến vài phỳt, tuỳ tuộc vào tần suất ghi tớn hiệu (ký hiệulà T), ớt nhất phải thu được 2 số liệu.
Vớ dụ với mỏy thu GPS Trimble 4600LS, thời gian dừng mỏy tại điểm đo được quy định như trong bảng 3.1 sau:
Bảng 3.1. Cỏc tham số cài đặt khi đo GPS động
Tần suất ghi (T) 1s 2s 5s 10s 15s
Thời gian dừng đo 3s 5s 12s 25s 35s
Đo động khỏc với đo tĩnh là số trị đo ớt. Trong đo tĩnh, số trị đo cú đến hàng trăm, hàng ngàn giỏ trị, nhưng đo động, số trị đo chỉ là vài ba giỏ trị. Chớnh vỡ thế khụng thể sử dụng số dư của sai phõn kộp để đỏnh giỏ độ chớnh xỏc sau khi đo như trong phương phỏp đo tĩnh. để đỏnh giỏ độ chớnh xỏc, người ta sử dụng phương phỏp ước lượng sai số đo cạnh động (Kinematic Base). Đối với mỏy Trimble 4600LS, sai số ước lượng là 2ppm (2 phần triệu).
Trong phương phỏp đo động dừng và đi, ngay cả lỳc đi (di chuyển), mỏy GPS vẫn tiếp tục theo dừi và ghi tớn hiệu vệ tinh với tần suất đó cài đặt.
Chớnh vỡ thế, bộ nhớ của mỏy thu GPS hay bộ nhớ của bộ điều khiển đo sẽ chỉ chứa được một lượng tớn hiệu trong khoảng thời gian hạn chế. Nếu ta cài đặt chế độ ghi dày (tần suất ghi ngắn) thỡ bộ nhớ sẽ chúng đầy, song thời gian dừng đo sẽ được rỳt ngắn.
Ngược lại, nếu ta đặt chế độ ghi thưa (tần suất ghi dài) thỡ bộ nhớ cho phộp kộo dài được thời gian đo, song tại điểm đo lại phải dừng lõu hơn. Đõy chớnh là vấn đề cần cõn nhắc khi cài đặt tần suất ghi. Thụng thường, nếu khoảng cỏch giữa cỏc điểm đo dài hoặc khú đi lại thỡ người ta thường kộo dài tần suất ghi. Cần lưu ý, tần suất ghi tớn hiệu của trạm tĩnh và trạm động là phải thống nhất như nhau.
Hiện nay cú một số bộ điều khiển đo khỏc nhau như TDC1, TSC1, TSCe... cú dung lượng bộ nhớ từ 640 Kb đến 4Mb. Tuy nhiờn khụng phải