Các quy định khi sử dụng phương pháp RTK GNSS

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC

2.2. CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC

2.2.1. Các quy định khi sử dụng phương pháp RTK GNSS

Điểm khởi đo (trạm tĩnh) của lưới phải có độ chính xác (nên chọn điểm khởi đo ở vị trí cao, thông thoáng, thuận tiện cho việc đặt máy).

Khoảng cách từ trạm tĩnh đến điểm cần xác định tọa độ (trạm động) không lớn hơn 12 km.

Các thông số kỹ thuật cần đảm bảo:

- Số vệ tinh: Svs ≥4

- Chế độ trạng thái Status: Fixd

Đối với các khu vực đo chi tiết áp dụng công nghệ RTK thì không cần thành lập lưới đo vẽ các cấp.

Kết quả đo được trút vào máy tính và lưu file vào kết quả đo chi tiết.

Hình 2.5. Công tác đo RTK ở trạm động tại thực địa

* Các nguồn sai số

Có một số nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị GPS, chúng được chia thành 3 nhóm như sau:

Bảng 2.1: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh

STT 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 lan chuyền 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 đến máy thu

- Sai số đồng hồ máy thu - Sai số do chệch tâm pha

- Sai số do sự không ổn định phần cứng của máy thu

1. Sai số liên quan đến vệ tinh

Sai số liên quan đến vệ tinh bao gồm ba nguồn sai số chính đó là: Sai số đồng hồ vệ tinh; sai số quỹ đạo vệ tinh; nhiễu cố ý SA.

- Sai số đồng hồ vệ tinh

Sai số đồng hồ vệ tinh trực tiếp gây ra sai số trong xác định thời gian.

Trong 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 dao động nguyên tử nên các đồng hồ này vẫn có sai số xét 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 10ˉˡ²s.

Sai số đồng hồ vệ tinh được mô hình hóa bởi đa thức đồng hồ theo công thức:

 j t = ao + a1 (t - toe) + a2(t - toe)2 + δ rel (2.1) (δ rel = -4,44280763*10-10 s/ m)

Trong đó: δ rel là hằng số, t là thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu, toe

là số hiệu chỉnh thời gian và a là khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu mà ở đó định vị tuyệt đối khoảng cách giả, sai số đồng hồ vệ tinh được hiệu chỉnh vào các khoảng cách giả trước khi sử dụng chúng để giải bài toán định vị. Trong định vị tương đối để loại bỏ của ảnh hưởng sai số đồng hồ vệ tinh, người ta sử dụng phương trình sai phân bậc nhất của các trị đo pha từ 2 trạm quan sát đến cùng một vệ tinh.

- Sai số quỹ đạo vệ tinh

Các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo có độ cao cách mặt đất khoảng 20.200 km. ở độ cao như vậy, vận tốc vệ tinh khoảng 3,8 km. Quỹ đạo vệ tinh GPS được mô hình hóa bởi sáu yếu tố quỹ đạo Kepler. Khi định vị sử dụng lịch vệ tinh quảng bá, mặc dù lịch vệ tinh nay sử dụng 16 tham số quỹ đạo dựa trên sáu yếu tố quỹ đạo Kepler và liên tục được cập nhật lại sau 2 giờ nhờ đoạn điều khiển, nhưng toa độ vệ tinh X, Y, Z xác định được vẫn chứa sai số khoảng 2,5m, đó chính là sai số trên quỹ đạo vệ tinh hay sai số lịch vệ tinh.

GPS ở chế độ tức thời với độ chính xác xấp xỉ 10 cm và sai số đồng hồ cỡ 5 ns với giãn cách khoảng 15 phút. Đây chính là cở 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 thống có thể được mô hình hóa và làm giảm trong kết quả đo quan trắc. Một số khác có thể loại bỏ nhờ xử lý thích hợp khi phối hợp các trị đo.

Để tính các hệ số phương trình số hiệu chỉnh trong định vị tương đối cần biết tọa độ vệ tinh tại thời điểm đo. Sai số tọa độ vệ tinh ảnh hưởng đến độ chính xác xác định theo công thức:

b mb ms 

 (2.2) Trong đó: ms là sai số tọa độ vệ tinh (quỹ đạo vệ tinh)

ρ là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh b

mb là sai số tương đối chiều dài cạnh đo - Ảnh hưởng của nhiễu cố SA

Nhiễu cố ý SA gây ra sai số trong định vị tuyệt đối. Hiện nay Mỹ đã chính thức gỡ bỏ nhiễu SA, do đó độ chính xác định vị GPS tuyệt đối đã được cải thiện đáng kể.

2. Sai số phụ thuộc vào môi trường lan truyền tín hiệu

Tín hiệu vệ tinh khi lan truyền từ vệ tinh đến máy thu trên mặt đất phải xuyên qua khí quyển gồm nhiều tầng, trong đó có tầng điện ly và tầng đối lưu là hai ảnh hưởng nhiều nhất tới sự lan truyền tín hiệu vệ tinh, ta gọi là hiệu ứng khí quyển ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh. Ngoài ra do hiện tượng phản xạ, tín hiệu vệ tinh GPS đến máy thu có thể bị ảnh hưởng của đa đường dẫn.

- Ảnh hưởng của tầng điện ly

Như đã biết tầng điện ly chứa các điện tử tự do phân bố trong khí quyển ở độ cao từ 50 km đến khoảng 1000 km. Tầng điện ly làm chậm trễ tín hiệu code, tức là làm tín hiệu code đến máy thu muộn hơn. Mức độ chậm trễ tín hiệu code tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số sóng tải và tỷ lệ thuận với

tổng lượng điện tử TEC trên đường chuyền tín hiệu. Ngược lại tầng điện ly lại làm tín hiệu pha đến may thu nhanh hơn. Độ trễ và độ sớm có giá trị tuyệt đối như nhau nhưng ngược dấu. Giá trị TEC được tính theo tổng điện tử theo phương thẳng đứng VTEC. Giá trị VTEC phụ thuộc vào vị trí địa lý, thay đổi theo thời gian. Ban ngày giá trị VTEC lớn hơn ban đêm.

Có thể thấy rằng, với tần số tín hiệu GPS là 1.575,42 MHz và 1.227.60 MHz thì ảnh hưởng do tầng điện ly đến khoảng cách giả có thể lên đến 30m.

Đây là nguồn sai số đáng kể, cần nghiên cứu để loại bỏ hoặc giảm thiểu.

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách

Tần số f 400 MHz 1.600 MHz 2.000 MHz 8.000 MHz

Mức trung bình 50 m 3 m 2 m 0,12 m

90% nhỏ hơn 250 15 10 0,6

Lớn nhất 500 30 20 1,2

Ảnh hưởng tầng điện ly đến khoảng cách đo có giá trị trung bình trong khoảng 5 – 10 m, lớn nhất có thể lên đến 50 m.

Dạng đầy đủ của phương trình trị đo khoảng cách giả theo code được viết:

Rji(t) = pji(t) + c.oi (t) + I ji + T ji + Ԑ j

i (2.3)

Trong đó: I ji là ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách giả T ji là ảnh hưởng của tầng đối lưu đến khoảng cách giả

Ԑ j

i là sai số khác.

Hình 2.6. Sai số ảnh hưởng của tầng đối lưu Vệ tinh

Mặt đất

Tâm trái đất

do tầng điện ly và tầng đối lưu về cơ bản được loại bỏ vì ảnh hưởng này được coi là như nhau đối với hai máy thu đặt gần nhau. Ở khoảng cách dài trên 10 km, đển giảm ảnh hưởng của tầng điện ly đến kết quả định vị tương đối, người ta sử dụng máy thu hai tần số. Nói chung thông tin về VTEC trong khí quyển có tác dụng để tính toán hiệu chỉnh vào trị đo GPS để nâng cao độ chính xác định vị.

- Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng khí quyển tính từ mặt đất đến độ cao khoảng 50km.

trong tầng đối lưu chứa nhiều hơi nước và bụi khí quyển.

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu điện từ không phụ thuộc vào tần số sóng tải, được chia thành ảnh hưởng của phần khô (trên cao) và ảnh hưởng của phần ướt (dưới thấp). Qua khảo sát ảnh hưởng của phần khô chiếm khoảng 90% còn ảnh hưởng của phần ướt là 10%.

Do tầng đối lưu, tín hiệu code và pha đến máy thu bị chậm trễ, gây ra sai số trong khoảng cỡ 2,5 m theo phương thiên đỉnh và khoảng 30 m theo phương chân trời.

Trên bảng 1.7 thể hiện ảnh hưởng của tầng đối lưu đến khoảng cách giả, trong đó có các thành phần:

∆Sd là ảnh hưởng của phần khô trong tầng đối lưu.

∆Sw là ảnh hưởng của phần ướt trong tầng đối lưu

∆ST là ảnh hưởng tổng hợp.

Bảng 2.3: Ảnh hưởng của tầng đối lưu tới khoảng cách

E 900 200 150 100 50

∆Sd 2,31m 6,71m 8,81m 12,90m 23,61m

∆Sw 0,20 0,58 0,77 1,14 2,21

∆ST 2,51 7,29 9,58 14,04 25,82

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu. Người ta đã nghiên cứu xây dựng các mô hình khí quyển để dựa vào đó tính toán hiệu chỉnh vào các trị đó nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu nguồn sai số này.

Ảnh hưởng của tầng đối lưu đến tín hiệu phụ thuộc vào góc cao E của vệ tinh. Góc cao E càng nhỏ thì tín hiệu lan truyền trong tầng đối lưu cũng như trong tần điện ly trải qua quãng đường càng lớn.

Trong đo đạc có thể giảm bớt ảnh hưởng sai số này bằng cách loại bỏ tín hiệu của các vệ tinh có góc cao dưới 150 gọi là góc cao giới hạn hay góc ngưỡng.

- Ảnh hưởng do đa đường dẫn

Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không 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 hiện tượng này anten phải có tầm nhìn thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150. Việc chọn ngưỡng góc cao trến 150 này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng đa tuyến.

Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khẳ năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dây điện…

3. Ảnh hưởng liên quan đến máy thu - Sai số do đồng hồ máy thu

Tinh thể thạch anh được sử dụng để chế tạo ra bộ giao động của đồng hồ máy thu GPS. Do đó độ ổn định của đồng hồ máy thu thấp hơn với đồng hồ vệ tinh. Sai số do đồng hồ máy thu sẽ gấy ra sai số trong các trị đo GPS.

Để khắc phục ảnh hưởng của sai số do đồng hồ máy thu đến kết quả định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả, người ta coi sai số của đồng hồ máy thu là ẩn số thứ 4 trong bài toán định vị, nhờ đó về cơ bản đã loại bỏ được ảnh hưởng này, tuy nhiên vẫn còn một phần ảnh hưởng thể hiện qua sai số của chính ẩn số đó.

Trong định vị tương đối theo pha sóng tải, nhờ sở dụng phương trình sai phân bậc 2 nên về cơ bản cũng đã loại bỏ được ảnh hưởng của sai số đồng hồ

trong quá trình đo, gây trượt chu kỳ.

- Sai số do lệch pha anten

Tâm pha là một điểm nằm trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này. Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với trắc địa. 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 tùy thuộc vào đồ hình vệ tinh. Ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý.

Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng (thường là hương Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo

- 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 quá trình làm việc có thể gặp tình trạng máy thu làm việc không ổn định. Như ta đã biết trong môi trường lan truyền tín hiệu luôn có các nguồn sóng điện từ như các trạm phát sóng (truyền hình, viễn thông, radar…), do sấm chớp sẽ tạo ra nhiễu tín hiệu. Mức độ nhiễu được thể hiện bởi tỷ lệ tín hiệu trên độ nhiễu SNR.

Bảng 2.4: Nguồn lỗi và các biện pháp khắc phục

Nguồn lỗi Biện pháp xử lý

1. Phụ thuộc vệ tinh

- Lịch vệ tinh Lịch vệ tinh chính xác

- Đồng hồ vệ tinh Sai phân bậc một

- Đồng hộ vệ tinh Chọn thời gian đo có PDOP <6 2. Phụ thuộc đường tín hiệu

- Tầng ion Dùng máy hai tần số

- Tầng đối lưu Lập mô hình

Nguồn lỗi Biện pháp xử lý - Số đa trị nguyên Xác đinh đơn trị, sai phân bậc ba - Trượt chu kỳ Tránh vật cản, sai phân bậc ba

- Đa tuyến Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao

3. Phụ thuộc máy thu

- Chiều cao anten Đo 2 lần khi đo độ cao anten - Cấu hình máy thu Chú ý khi lắp đặt

- Tâm pha anten Anten chuẩn, đặt quay về một hướng - Nhiễu điện tử Tránh bức xạ điện từ (sóng cao tần) - Tọa độ quy chiếu Khống chế chính xác, tin cậy

- Chiều dài cạnh Bố trí cạnh ngắn