CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THI CÔNG NHÀ CAO TẦNG
1.2. TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GNSS TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH NHÀ CAO TẦNG
1.2.2. Các hệ thống tăng cường độ chính xác vị trí điểm thu GNSS
Hệ thống tăng cường độ chính xác vị trí điểm thu tín hiệu GNSS dựa trên cơ sở kỹ thuật RTK và thường được gọi là Định vị vi phân, nhưng có điểm
khác biệt với RTK. Đó là, hệ thống DGNSS có thể áp dụng với máy thu độc lập. Vị trí đã biết của trạm tham chiếu sẽ đuợc sử dụng để tính các số cải chính DGNSS duới dạng các số cải chính tọa độ, gọi là phương pháp vị trí (Position Method) hoặc các số cải chính vào khoảng cách giả, gọi là phương pháp hiệu chỉnh trị đo hay phương pháp trị đo (Measurement Method). Máy thu độc lập có thể tự xác định vị trí của mình dựa vào tín hiệu từ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, sau đó bổ sung số hiệu chỉnh nhận từ trạm phát DGNSS để nâng cao độ chính xác vị trí điểm của bản thân nó. Các số hiệu chỉnh này được truyền đi bằng sóng vô tuyến dưới dạng Radio hoặc dạng mã hóa CDMA như tín hiệu 3G của sóng điện thoại viễn thông. Đương nhiên máy thu cũng phải có thiết bị nhận tín hiệu vô tuyến viễn thông để có thể hiệu chỉnh tức thời tọa độ điểm thu. Trường hợp máy thu không thể nhận tín hiệu tức thời để hiệu chỉnh tọa độ, nó có thể khai thác dữ liệu này tại trạm DGNSS sau đó. Việc hiệu chỉnh độ chính xác điểm thu sẽ là xử lý sau.
Các số cải chính từ trạm định vị vi phân có nhiều dạng:
- Số cải chính dạng tọa độ. Tại trạm tham chiếu A vào thời điểm t sẽ tính được số cải chính tọa độ theo công thức:
Trong đó:
- 𝐴 là tọa độ đã biết trong hệ tọa độ thực dụng của điểm A;
- 𝐴(𝑡) là tọa độ định vị tuyệt đối bằng máy thu GNSS tại điểm A ở thời điểm t;
Hiệu tọa độ tính được gọi là số cải chính vi phân, được phát đi rộng rãi theo phương thức vô tuyến cho các đơn vị sử dụng (rove) để hiệu chỉnh vào kết quả định vị tại cùng thời điểm t. Nếu trạm B (rove) là trạm sử dụng dịch vụ của trạm A (Base). Trạm B sử dụng kỹ thuật định vị tuyệt đối, thì tọa độ của trạm B sau cải chính vi phân sẽ là:
(1.1)
Có thể thấy rằng phương pháp này khá đơn giản và không linh hoạt. Nó
đòi hỏi số vệ tinh quan sát được tại cả hai trạm A và B phải như nhau. Do vậy phương pháp này chỉ phù hợp trong phạm vi hẹp.
- Số cải chính khoảng cách giả trị đo từ trạm tham chiếu liên tục A tới vệ tinh j được tính theo công thức:
(1.3) Trong đó 𝜌𝑗(𝑡) là khoảng cách từ máy thu A tới vệ tinh j được tính từ tọa
độ vệ tinh tại thời điểm t và tọa độ đã biết của trạm tham chiếu liên tục A;
𝑅𝑗(𝑡) là khoảng cách giả từ máy thu A đến vệ tinh j tại thời điểm t.
Trường hợp này các số cải chính 𝛿𝜌𝑗(𝑡) lập tức được phát đến các máy thu di động B (rove). Tại trạm di động B, máy thu khi khoảng cách giả sẽ cộng thêm các số cải chính nói trên nhằm chính xác hóa khoảng cách của B tới vệ tinh j. Phương pháp này tỏ ra linh hoạt hơn, song trạm B phải có phần mềm giải bài toán định vị.
Trong định vị vi phân diện hẹp, các số cải chính được định dạng theo tín hiệu MSK và sử dụng tần số sóng MF để phát đến trạm động của người sử dụng trong bán kính vài trăm km. Đây là phương pháp sử dụng trạm tham chiếu đơn. Về cơ bản, kỹ thuật DGNSS một số nguồn sai số hệ thống, nên độ chính xác định vị cao hơn định vị tuyệt đối truyền thống. Độ chính xác định vị tăng cường cơ sở mặt đất sẽ suy giảm theo khoảng cách từ trạm chủ tới trạm động. Cứ mỗi km suy giảm khoảng 1 cm. Lý do chủ yếu là độ trễ tín hiệu cải chính từ trạm chủ tới trạm động. Thời điểm trạm B nhận được tín hiệu cải chính tại trạm A đã bị trễ so với thời điểm trạm A tính ra số cải chính.
Phạm vi sử dụng của hệ thống DGNSS phụ thuộc vào tầm phủ sóng của trạm tham chiếu liên tục và tần số phát sóng cải chính của nó. Nếu phát số cải
(1.2)
(1.3)
chính với tần số cao (1 GHz) thì tín hiệu chỉ đi xa được 50 km nhưng độ chính xác số cải chính gia tăng. Nếu phát với tần số thấp (30 KHz) thì độ chính xác số cải chính rất thấp nhưng tín hiệu đi xa tới 600 km.
b/ Hệ thống tăng cường cơ sở diện rộng (không gian):
Hệ thống tăng cường cơ sở mặt đất thường gọi là tăng cường cơ sở diện hẹp. Để phát triển ra biển khơi xa người ta thường dùng hệ thống tăng cường cơ sở không gian. Các vệ tinh địa tĩnh đóng vai trò là trạm tham chiếu hoạt động liên tục nhận tín hiệu từ hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu, sau đó tính số cải chính khoảng cách giả hoặc pha sóng tải của trị đo để phát trở lại mặt đất cho các máy định vị thu tín hiệu vệ tinh. Các vector trị đo chứa số cải chính đồng hồ vệ tinh, lịch vệ tinh, mô hình sai số do tầng điện ly, tầng đối lưu. Người sử dụng phải trả tiền thuê bao để nhận được số cải chính vi phân diện rộng.
Hiện nay, các thiết bị và công nghệ của hãng NAVCOM Start Fire, C- NAV, OmniStar-HP,... đã sử dụng hệ thống vệ tinh địa tĩnh Gc để hiệu chỉnh vi phân toàn cầu. Người sử dụng có thể mua máy của hãng và trả tiền thuê bao theo thời gian để định vị điểm tức thời ngoài khơi xa với độ chính xác mặt bằng khoảng 10 cm và độ cao khoảng 20 cm.
Một số hệ thống cung cấp số cải chính thông qua sóng vô tuyến như hệ thống WAAS của Hoa Kỳ
Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống WAAS
tinh địa tĩnh tới máy thu. Vì vậy, độ chính xác định vị của trạm thu (rove) sẽ được nâng cao.
Hệ thống tăng cường cơ sở diện rộng MSAS của Nhật Bản ra đời năm 1995 do tập đoàn Misubishi và Văn phòng hàng không dân dụng Nhật kết hợp xây dựng. Hệ thống này có 6 trạm tham chiếu, trong đó có hai trạm chủ đặt tại Kobe và Hitachi-Ota. Hệ thống có hai vệ tinh viễn thông địa tĩnh đặt tại kinh độ 140 E, 145E.
Theo thời gian, các phương pháp đo GPS được kể đến là:
- Định vị tuyệt đối.
- DGPS hiệu chỉnh từ vệ tinh.
- DGPS hiệu chỉnh trên mặt đất.
- Đo tĩnh.
- Đo tĩnh nhanh.
- Đo động truyền thống (khoảng cách cạnh cơ sở nhỏ hơn khoảng 20 km cho độ chính xác cỡ cm).
- Đo động trong thời gian thực độ chính xác cao (khoảng cách cạnh có thể lên đến 200 km cho độ chính xác cỡ cm): theo mạng lưới RTK, trạm tham chiếu ảo VRS.
Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS/CORS/RTK
GPS/GLONASS/COMPASS (GNSS)
CORS
Internet
Rover GPRS/CDMA
Server
Trạm di động kết nối đến máy chủ mạng RTK thông qua liên kết truyền thông một chiều hoặc hai chiều (ví dụ như modem radio, GSM hoặc Internet).
Khi máy di động nhận được dữ liệu RTK sẽ tính toán vị trí của nó bằng cách sử dụng các thuật toán thích hợp.
Những thuật toán máy di động sử dụng, và các sai số phụ thuộc khoảng cách được giảm thiểu phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp mạng RTK đang được sử dụng. Với công nghệ sử dụng trong mạng lưới RTK khác nhau (MAC, FKP, VRS) thì cách giảm thiểu các nguồn sai số trong quá trình đo đạc là khác nhau, mỗi công nghệ sẽ dẫn đến sự khác biệt đáng kể về hiệu suất, độ tin cậy, độ chính xác cho máy di động.
Những lợi thế của mạng RTK nổi bật là:
- Không cần phải cài đặt một trạm cơ sở (base station); có nhiều trạm tham chiếu trong một khu vực đo đạc.
- Độ chính xác vị trí điểm của máy thu di động là đồng nhất hơn so với phương pháp đo động trong thời gian thực truyền thống và độ tin cậy cao, nhiều máy thu di động có thể nhận số cải chính cùng lúc.
- Độ chính xác được duy trì trên một khoảng cách lớn hơn giữa các trạm tham chiếu và máy di động so với phương pháp đo động trong thời gian thực truyền thống; một số công nghệ đo động trong thời gian thực độ chính xác cao.