intTypePromotion=3

Bài giảng Công nghệ GPS

Chia sẻ: Tằng Túy | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:28

0
154
lượt xem
38
download

Bài giảng Công nghệ GPS

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Công nghệ GPS gồm 3 chương: Chương 1 - Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS, chương 2 - Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS, chương 3 - Quy trình công nghệ đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để thành lập các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation).

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Công nghệ GPS

  1. MỤC LỤC  MỤC LỤC                                                                                                                                                  ..............................................................................................................................................      1  MỞ ĐẦU             3    CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS                                                             .........................................................      4  I.1 GIỚI THIỆU CHUNG:                                                                                                                        ....................................................................................................................      4  I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):                                                                                      .................................................................................      4  I.1.2. Phần không gian (Space Segment):                                                                                        ...................................................................................      4  I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:                                                                                                          .....................................................................................................      4  I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS                                                                                                     .................................................................................................      5  I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):                                                                                              .........................................................................................      5  I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.                                             .........................................      5  I.1.3.2 Những bộ phận chính của  máy thu GPS.                                                                     .................................................................      6  I.2  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:                                                                     .................................................................      6  I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS                                                             .........................................................      7  I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động.                                                                                           .......................................................................................      7  I.3.2 Phép định vị tương đối.                                                                                                           .......................................................................................................      8  I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu.                                                                                                    ................................................................................................      8  I.3.4 Phép định vị động tương đối                                                                                                   ...............................................................................................      8  I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.                                                                               ...........................................................................      8  I.3.6 Độ suy giảm chính xác.                                                                                                           .......................................................................................................      9  I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS                                                                       ...................................................................      9  I.4.1 Sai số do đồng hồ                                                                                                                 ................................................................................................................        9  I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh                                                                                                         .....................................................................................................      9  I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu                                                                                   ...............................................................................      9  I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:                                                                                                        ....................................................................................................       10  I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS                                                ............................................       10  1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất                                                                ............................................................       10  I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất                                                   ...............................................       11  I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:                                                              ..........................................................       11  I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển                                              ..........................................       11  I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không                                                            ........................................................       11  I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không                                                                               ...........................................................................       12  I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian                                                                         .....................................................................       12  I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.                                                                         .....................................................................       12  I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội                                                                                                ............................................................................................       12 I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY                                                                                                                                                         12 ......................................................................................................................................................      I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo:                      ..................       12  I.6.2  Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới:                                                  ..............................................       13  I.6.3  Nâng cao khả  năng công nghệ của GPS:                                                                            ........................................................................       14  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO                                                                                      .................................................................................       15  VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS                                                                    ................................................................       15  II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG.                                        ....................................       15  II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.                                            ........................................       15 1 / 28
  2.  II.3  ĐO GPS.                                                                                                                                           .......................................................................................................................................       17  II.4  XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES)                                                 .............................................       18  II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines)                                                                                    ................................................................................       18  II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)                                                                                 .............................................................................       19  II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.                                                     .................................................       21  II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS.                                                  ..............................................       22 CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ  ĐO VÀ XỬ   LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ  ĐO    GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA                                                        ...................................................       24  (Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation)                                                                                      ..................................................................................       24  TÀI LIỆU THAM KHẢO                                                                                                                                     .................................................................................................................................       28             28     ­ 2 ­
  3. MỞ ĐẦU Công nghệ  ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất  ở  Việt Nam   từ  năm 1991. Trên cơ  sở  sử  dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số  4000­ST, Liên   hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để  đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở  những khu vực   khó   khăn   nhất   của   đất   nước,   mà   bằng   công   nghệ   truyền   thống   (phương   pháp   tam   giác,   đường   chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện   được. Trong   những năm 1991 đến 1994, theo kế  hoạch nhiệm vụ  do Cục Đo đạc và bản đồ  Nhà   nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ  nhà nước   hạng II  ở  khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới   trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể  cả  Trường Sa ) với mạng lưới toạ  độ  nhà nước trên   đất liền. Từ  đó đến nay, việc  ứng dụng công nghệ  GPS đã có những bước phát triển rất lớn. Từ  chỗ  chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay  ở  Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS   các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy   có độ  chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để  đo khống chế   ảnh. Các lĩnh vực  ứng dụng công   nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để  xây dựng các mạng lưới toạ  độ  nhà nước, độ  chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ  độ tâm chính ảnh khi bay   chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ  cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác  định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp;   đo toạ độ  độ  cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v.v... Các phần mềm để  xử  lý  tính toán bình sai các trị  đo GPS cũng đa dạng, chủ  yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như  TRIMVEC,   TRIMVEC   PLUS,   TRIMNET,   TRIMNET   PLUS,   GPSURVEY,   PHASE   PROCESSOR,  GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS  do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng. Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôi  biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3 chương sau đây:  Chương 1: Giới thiệu hệ thống định vị toàn cầu GPS. Chương 2: Cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS. Chương 3: Quy trình công nghệ đo và xử   lý tính toán bình sai kết quả đo GPS để  thành lập   các mạng lưới trắc địa (thiết bị công nghệ GPS của Hãng Trimble Navigation) ­ 3 ­
  4. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS I.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Hệ  thống GPS là một hệ  thống định vị  vệ  tinh tiếp theo sau hệ  thống DOPPLER. GPS là từ  viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ  những  năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho   phép dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua   để  đạt được những thành quả  cao nhất trong lĩnh vực sử  dụng hệ  thống vệ  tinh chuyên dụng GPS.   Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập   các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. Cho tới  năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ  cạnh tranh trên thị  trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ  cập.   Mười   hãng   trên   thế   giới   sản   xuất   máy   thu   GPS   bao   gồm   các   hãng   chính   như:   TRIMBLE   NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức).   Theo dư  luận thị  trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá   cao nhất. Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Trị  đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra. Chế biến các tín hiệu này bằng các phương   pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của   trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể  tính được tọa độ  không gian tuyệt đối (với độ  chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ   tinh chính xác), số  gia tọa độ  không gian (độ  chính xác từ  1 cm tới 5 cm), số  gia tọa độ  địa lý  (độ  chính xác từ 0.7 đến 4 cm),  số gia độ  cao (độ  chính xác từ  0.4 cm đến 2 cm), và số  gia trọng lực (độ  chính xác 0.2 mgl). Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu. Toàn   bộ   phần   cứng   của   hệ   thống   GPS   có   tên   đầy   đủ   là   NAVSTAR   GPS   SYSTEM.   NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING. Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space  Segment) và phần sử dụng (User Segment). I.1.1 Phần điều khiển (Control Segment):  Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego   Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3  trạm hiệu chỉnh số  liệu (Upload Station). Lưới  trắc   địa đặt trên 4 trạm  này được  xác định bằng  phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ  của  các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. Sau tính toán các số liệu được gửi từ  trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ  đó gửi tiếp tới các vệ  tinh. Như vậy trong vòng 1   giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu. I.1.2. Phần không gian (Space Segment):  I.1.2.1 Chòm vệ tinh GPS:  Bao gồm 24 vệ  tinh bay trên quỹ đạo có độ  cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ  12 giờ, phân   phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích  để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.  Mỗi vệ  tinh phát 2 tần số  sóng mang với tần số  cao L1=1575.42 MHz và L2=1227.60 MHz.   Loại sóng này phát trên cơ  sở  dãy số  tựa ngẫu nhiên bao gồm các số  0 và 1. Mã này được gọi tên là   mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A   được phát với 2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số  50 Hz chứa các thông tin về  lịch vệ  tinh. Các vệ  tinh đều được trang bị  đồng hồ  nguyên tử  với độ  chính xác cao. Các vệ  tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động không  khoẻ  ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ  tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất.  Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở  cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động   không khỏe". ­ 4 ­
  5. I.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số  1575,42 MHz và tần   số  1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế  bởi những tín   hiệu khác nhau. Mã   nhiễu   giải   ngẫu   nhiên   (PRN)   thứ   nhất   được   biết   dưới   cái   tên   là  mã   C/A  (Coarse/Acquisite­code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở  tần số fo/10=   1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ  hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise ­ code), bao gồm một chuỗi các số  cộng một và trừ  một   khác, được phát đi ở  tần số fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày  này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng   cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32   đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau.  Mã Y (Y­code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể  dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố  rộng rãi và không giữ  bí  mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ  bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử  dụng thì những   người sử dụng GPS không có giấy phép  (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng   minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).  Sóng mang L1 được điều chế  bằng cả  2 mã ( Mã­C/A và Mã`­P hoặc mã Y), trong khi sóng  mang L2 chỉ bao gồm một Mã­P hoặc mã Y. Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu mã có trị số  ­1 thì   phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi. Cả  hai sóng mang đều mang thông báo vệ  tinh (Satellite message)  cần phát dưới dạng một  dòng dữ liệu được thiết kế ở  tần số thấp (50Hz) để  thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí   của vệ  tinh. Các dữ  liệu này sẽ  được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị  trí của máy  theo thời gian thực. I.1.3. Phần sử dụng (User Segment):  Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các   máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được   các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy   thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ  tuyệt đối với độ  chính xác 10 m và tọa độ  tương đối   với độ  chính xác từ  1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ  hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km  độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể  (độ  chính xác cỡ  dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến  vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển   trái đất. Toàn bộ  phần cứng GPS hoạt động trong hệ  thống tọa độ  WGS­84 với kích thước elipsoid   a=6378137.0 m và  =1:29825722. I.1.3.1 Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng. Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:  * Phần cứng * Phần mềm * Phần triển khai công nghệ Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử  , các bộ  dao động tần số  vô tuyến RF (Radio   Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để  hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu   của bộ phận này là tính chắc chắn, có thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác. Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể, chuyển đổi những  thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn đường đi hữu ích. Những chương trình này cho  phép người sử  dụng tác động khi cần để  có thể  lợi dụng được những  ưu điểm của nhiều đặc tính   định vị  GPS. Những chương trình này có thể  sử  dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và được   thiết kế sao cho có thể cung cấp những thông báo hữu ích về trạng thái và sự tiến bộ của hệ thống tới   người điều hành. Ngoài ra trong phần mềm còn bao gồm những chương trình phát triển tính độc lập   của máy thu GPS , có thể đánh giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ  tin cậy   của độ chính xác. Phần triển khai công nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS như: cải tiến thiết kế  máy thu, phân tích và mô hình hoá hiệu  ứng của ăngten khác nhau, hiệu  ứng truyền sóng và sự  phối   hợp của chúng trong phần mềm xử lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách   ­ 5 ­
  6. tin cậy cho các hoạt động định vị GPS cự  ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế  phát triển   trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị. I.1.3.2 Những bộ phận chính của  máy thu GPS. Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm: * Ăngten và bộ tiền khuếch đại * Phần tần số vô tuyến (RF) * Bộ vi xử lí * Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện * Thiết bị ghi chép * Nguồn năng lượng  Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc loại chùm sóng rộng   , vì vậy không cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống như  các đĩa ăngten vệ  tinh . Các ăngten này  tương đối chắc chắn và có thể  đặt trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thông, vi trí thực   sự được xác định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa. Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết hợp số hóa và giải   tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương  pháp này là : * Tương quan mã * Phase và tần số mã * Cầu phương tín hiệu sóng mang Phần tần số  vô tuyến bao gồm các kênh sử  dụng một trong ba phương pháp nói trên để  truy  cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng   máy thu khác nhau. Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck thước và kiểu dáng   của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác nhau. Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi các trị số  quan trắc và   những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin hiệu thu được Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một chiều điện áp thấp, chỉ  có một vài máy đòi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều. I.2  NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự  thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động. Hệ thống GPS  hoạt động trên một nguyên   lý hoàn toàn khác. Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa   khoảng cách". Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức: C .t C. t (x s x p )2 (y s y p )2 (z s z p ) 2                (1) ở đây: s=[xs ys zs] ­ Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] ­ Tọa độ điểm mặt đất; c ­ Tọa độ sóng; t ­ Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu. t ­ Số hiệu chỉnh thời gian. Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn số là t, x p yp  zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và   máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác   định tọa độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta   có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ  chính xác 1 m. Sở  dĩ độ  chính xác được tăng lên đáng kể  vì  máy thu chỉ thu được lịch vệ  tinh dự báo, còn ở  trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ  tinh chính xác.   Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương   pháp DOPPLER. Sở  dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ  cao gấp đôi hệ thống DOPPLER.   Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích: ­ Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay....) ­ 6 ­
  7. ­ Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS. Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng  kể  trong việc xác định tọa độ  tương đối. Nguyên lý đo tọa độ  tương đối là xác định pha của sóng  mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số). Chúng ta có công thức: S = N  +  (2) Trong đó:   ­ Bước sóng (  = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; : Pha của sóng; S: Khoảng cách vệ tinh ­ máy thu. Từ công thức (2) chúng ta có:  = (f/c).S ­ N (3) Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết: (t) =  s(ts ) ­  p(t) + Nsp (4) s (t  ) ­ Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; s p (t) ­ Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu; N ­ Số nguyên lần bước sóng. s p  Từ các công thức trên ta suy ra: (t) =  s(t) ­ (f/c).Ssp ­  p(t) + Nsp (5) Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng: (t) = ­ (f/c).Ssp ­  p(t) +  s(t) +  s p (6) Trong đó:  p(t) ­ Thành phần  ảnh hưởng hệ  thống pha (t) do máy thu gây ra  (chủ  yếu là số  hiệu chỉnh   đồng hồ máy thu) s (t) ­ Thành phần  ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh  gây ra  (chủ  yếu là số  hiệu chỉnh  đồng hồ vệ tinh) s (t) ­ Thành phần  ảnh hưởng hệ  thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra  không phụ  p thuộc thời gian (chủ yếu là  s(to) ­  p(to) + Nsp , trong đó to là thời điểm bắt đầu đo) Công thức (6) chính là công thức cơ  bản để  lập phương trình đo trong kỹ  thuật đo tọa độ  tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ  hợp các trị  đo sao cho khử  được các thành   phần hệ thống p(t), s(t) và p. I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BẰNG HỆ THỐNG GPS I.3.1 Phép định vị tĩnh và định vị động. Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Mặc   dù trị  quan trắc là như  nhau, nhưng trên thực tế  do ăngten tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến   những khác nhau rất lớn. Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li  đến vệ tinh khác nhau, việc làm này  cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị  trí được xác định. Khi ăngten chuyển động chúng ta chỉ  có thể  nhận được những chỉ  định (Fix) tức   thời, (thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời) không có số đo dư  thừa. Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể  nhận được hoặc là một kết quả theo thời gian   thực, trong đó môĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao cho có thể   cải thiện được trị toạ  độ  vị trí đã   được xác định trước đó, hoặc là các trị  quan trắc có thể  được xử  lý sau khi kết thúc công tác ngoài   trời.Chúng ta gọi là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution). Trong  phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo thời gian thực, nhưng   nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định   ­ 7 ­
  8. này ( lộ trình rời rạc của phương tiện lưu thông ) có thể  được xử  lý bằng cách sử  dụng một trong số  những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn. I.3.2 Phép định vị tương đối. Khi đòi hỏi trị đo có độ  chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị tương đối. Trong kiểu   đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương  ứng được đặt tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải  làm việc đồng thời. Sở  dĩ có thể đạt được độ  chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số  sai số tích   luỹ trong các cự  ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự  nhau tại hai   đầu của đường đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm một cách đáng kể khi   xác định trị số định vị tương đối. Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben Remondi thuộc Cục Đo   đạc   trắc   địa   Mỹ   đề   xuất,   là   kiểu   định   vị   tương   đối   dạng   bán   động   (relative   semi   kinematic  positioning). Ý tưởng của kiểu đo này là sử  dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung  quanh. Nếu không xuất hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính   xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị  số  định vị  tương đối   giữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang. Kiến nghị này có hai ngụ ý:  * Các  ứng dụng định vị  động có thể  lợi dụng độ  chính xác cao hơn nhiều của số  đo sóng  mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã. * Mở  ra một phạm vi rộng hơn trong  ứng d ụng phép định vị  GPS: lập tam giác  ảnh hàng  không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất. I.3.3 Phép định vị nhiều máy thu. Độ  chính xác của các kết quả  đo sẽ  được cải thiện một cách đáng kể  khi một số  máy thu   được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung, một mạng lưới luôn có cấu hình mạnh   hơn về mặt hình học so với một cạnh đo vì có số  đo dư thừa  ­ các cạnh đo trong lưới cần phải thoả  mãn những điều kiện được xác định bằng phương pháp hình học. Các trị  đo dư  thừa được dùng để  kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống trong   các trị quan trắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy   thiết kế thành các mạng lưới, có như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị. Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật khác thường, liên   quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động và liên quan đến các giai đoạn quan trắc   trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn cảnh như  vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối   ưu hoá lịch đo để đạt độ chính xác tốt nhất bằng những công cụ rẻ tiền nhất. I.3.4 Phép định vị động tương đối Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ  chính xác cao thi các phép định vị điểm mô  tả   trước   đây   có   thể   không   đủ   sử   dụng.   Khi   đó,   cần   phải   dùng   tới   khái   niệm   định   vị   phân   sai   (differential) tương đối. ý tưởng chính của phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham  chiếu. Sau đó, máy thu các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được  máy thu có ăngten chuyển  động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Độ  chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại và sự hoạt động của đồng hồ. Sở  dĩ có sự  khác nhau (tức sai số khép độ dài) giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí   "biết trước" của máy thu tĩnh tại và đồng hồ  và sở  dĩ có sự  biến đổi trông thấy trong vị trí của máy   thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo trong giá trị thời gian trễ do khí   quyển và trong hoạt động của đồng hồ. Người  ta truyền khoảng  lệch vị  trí  (Position  offset)  hoặc  sai số   khép độ  dài tới  máy thu  chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời gian thực . Kết quả của các nghiên cứu   cho tháy rằng người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng  hơn khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí. Số  hiệu chỉnh thời gian thực này đã nâng   cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động. Máy thu tĩnh tại có thể  được coi là một vệ  tinh giả  đặt trên bờ  để  truyền tín hiệu và thông  báo đã được mã hoá bằng cùng một cách giống như những gì đã được truyền qua vệ tinh. I.3.5 Cấu hình hình học GPS và độ chính xác. Độ  chính xác định vị điểm bằng GPS phụ  thuộc vào hai yếu tố: cấu hình hình học vị  trí vệ  tinh và độ  chính xác đo đạc. Thành phần thông thường của độ  chính xác đo đạc GPS là sai số  đo dài  tương đương của người sử  dụng (UERE ­ User Equivalent Range Error) th ể hi ện  ảnh h ưởng t ổng   ­ 8 ­
  9. hợp của tính thiếu tin cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ  đo thời gian và nhiễu   trong máy thu. Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ  tinh được thể  hiện bằng các suy giảm chính xác DOP  (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:   =  DOP.  o Trong đó   là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn) o   là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ) DOP là một trị  số  vô hướng thể  hiện tác động của cấu hình hình học đối với độ  chính xác   của vị trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc chúng ta quan tâm độ  chính xác của một trị  số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp của những tọa độ. Các trị số DOP thường dùng nhất là: VDOP.  o  là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ. HDOP.  o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D. PDOP.  o là độ chính xác vị trí không gian 3D. TDOP.  o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian. THDOP.  o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian. GDOP.  o là độ chính xác vị trí không gian 3D và thời gian. Khoảng tin cậy đối với vị  trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn bậc hai tổng bình   phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói chung, mỗi DOP đều tương đương với một   căn bậc hai của tổng các bình phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số   chúng ta quan tâm. I.3.6 Độ suy giảm chính xác. Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ  hình học của cấu hình phân bố  vệ  tinh GPS.   Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các   vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia. Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ  càng tốt. Giả  thiết độ  chính xác trị  số  đo là 10 m, trị  DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu trị DOP gần bằng đơn vị  thì độ  chính xác   định vị của chúng ta gần bằng độ chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất). I.4. CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG KẾT QUẢ ĐO GPS I.4.1 Sai số do đồng hồ. Đây là sai số  của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự không đồng bộ của chúng.  Đồng hồ  trên vệ  tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó nếu phát hiện có   sai lệch trạm này sẽ  phát tín hiệu chỉ  thị  thông báo số  cải chính cho máy thu GPS biết để  sử  lý. Để  làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa   các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát. I.4.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh Chuyển động của vệ  tinh trên quĩ đạo không tuân thủ  nghiêm ngặt định luật Kepler do có  nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất,  ảnh hưởng của sức hút  của mặt trăng, mặt trời và của các thiên thể  khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ    mặt   trời,... Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể  xác định  theo mô hình chuyển động được xây dựng trên   cơ sở  các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ  thống GPS và đương nhiên có chứa sai số. Có hai loại ephemerit được xác định từ  kết quả hậu sử lý   số liệu quan sát cho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại  suy từ các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ  chính xác ở  mức   10 ­ 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ 2 ở  mức 20 ­100 m và   cho phép khách hàng sử dụng. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định   toạ  độ  của điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ  đáng kể  trong kết quả  định vị  tương đối giữa  hai điểm. I.4.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu Được phát đi từ  vệ tinh ở  độ  cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô   tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật   ­ 9 ­
  10. độ  điện tử  tự  do trong tầng điện ly và tỉ  lệ  nghịch với bình phương tần số  của tín hiệu. Ảnh hưởng   của tầng điện ly sẽ được loại trừ  đáng kể bằng cách sử  dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế,   để  đảm bảo định vị  với độ  chính xác cao người ta sử  dụng các máy thu GPS 2 tần số. Xong khi 2   điểm quan sát ở  gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số kết hợp sẽ lớn hơn so v ới 1 tần số và   do vậy nên sử  dụng máy thu 1 tần số  cho trường hợp định vị  ở  khoảng cách ngắn.  Ảnh hưởng của   tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5­6 lần so với ban ngày. Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng là nhiệt độ,   áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở  cách nhau không   quá vài chục km và vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát. Để làm giảm  ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ  tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời. I.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu: Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu  phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do   nhiễu xạ  của tín hiệu vệ  tinh. Để  làm giảm sai số  này, các nhà chế  tạo máy thu không ngừng hoàn   thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten. Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với nguồn sai số phụ khác,  khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%. Nếu xét   đến  ảnh hưởng của chế  độ  C\A thì sai số  này sẽ  là 50 m. Song các giá trị  này mới chỉ  là sai số  của   khoảng cách từ mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm quan   sát. Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ  các vệ  tinh nên độ  chính  xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ  hình phân bố vệ tinh so với điểm   quan sát. để có được sai số vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một   hệ số lớn hơn 1. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác  (Dilution of Precision ­ DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính  xác. Hệ số  DOP tổng hợp nhất là hệ  số phân tán độ  chính xác hình học ­ GDOP, vì nó đặc trưng   cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu tố thời gian t. Hệ số GDOP từ 2 ­ 4 được coi   là tốt. I.5 CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.5.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất Độ  chính xác cao của các trị  số  đo Phase sóng mang GPS cùng với những thuật toán bình sai   xấp xỉ dần cung cấp một công cụ thích hợp cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và  bản đồ. Chúng ta có thể chia các ứng dụng này làm 4 loại: ­ Đo đạc địa chính ­ Lập lưới khống chế  trắc địa. ­ Theo dõi độ biến dạng cục bộ. ­ Theo dõi độ biến dạng toàn bộ. Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10 ­4. Người ta có thể đạt được   độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS. Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ chính xác yêu cầu về  vị trí tương đối khoảng 5.10 ­6 đến 1.10­6  ứng với các cự  ly 20 ­ 100 km. Độ chính xác này có thể  đạt   được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp  hạng khống chế thấp hơn (ví dụ  lưới đo vẽ bản đồ) có thể  cũng được thành lập bằng phương pháp   GPS. Việc theo dõi độ  biến dạng cục bộ  (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ  chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể  đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng  ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị  tăng lên do khả  năng nhìn thấy vệ  tinh bị  giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi  trường công nghiệp tiêu biểu. Việc theo dõi độ  biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ  chính xác   khoảng 10­7 ­ 10­8  trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ  bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so  ­ 10 ­
  11. với những ứng dụng đã nói trên là ở  chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về  các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác. I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Việc phổ  biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như  tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất,   một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ  đồ  điện  tử  có thể  sẽ  thay thế  sự  so sánh có tính thủ  công các vật thể  xung quanh phương tiện với bản đồ   truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp,  công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ.... Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương   tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự  động để  hỗ  trợ  máy thu GPS. Vị  trí được xác  định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện   trên màn hình. I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: Nhờ  độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc  biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ  và ngoài khơi. Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ  chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét.   Để  đáp  ứng các yêu cầu này cần phải sử  dụng những kỹ thuật quan sát và xử  lý số  liệu khác nhau   bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao   gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ  phao nổi) và đo vẽ  các cầu tàu và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng   như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS. Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...) đều có thể  dùng GPS  làm công cụ định vị. I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển Hệ thống địnhvị GPS đã trở  thành một công cụ  dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng. Yêu  cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu   và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ  tục định vị GPS chính   xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng   đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ  ngoài   khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi. Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể  được đáp   ứng nhờ  hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ  tàu thuyền chính xác, là số  liệu   cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương. I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ  bản đồ  từ  ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật   dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh. Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét ­   có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ  hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS   có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế  mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ  chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này  thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau. Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ  số  của địa hình (mô hình số  mặt đất) nếu vị  trí của bộ  cảm biến (laze) được biết với độ  chính xác   khoảng 0.5 ­ 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính   xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo. Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy. Trong lĩnh vực   ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy   EOTVOS dữ liệu trọng lực. Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ   ảnh rada đòi hỏi độ  chính xác định vị  bộ  cảm biến   không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS. ­ 11 ­
  12. I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế  đã sử  dụng hệ  GPS làm hệ  thống dẫn đường bay. ICAO ­ Tổ  chức hàng không dân dụng quốc tế  đã quy định sử  dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia   sẽ chính thức sử dụng GPS. Trong các  ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc...), những lĩnh vực   không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật   GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay. I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Ứng dụng chủ  yếu của hệ  GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị  và định   hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc   địa. Thông thường các vệ  tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng  tươgn tự  như đã  ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ  điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép  đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ  cao bằng rada. Các vị trí tọa độ  của vệ  tinh nhận được từ   các số  đo GPS có thể  được dùng để  cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ  đạo của các   phương tiện không gian này, thậm chí thay thế  phép định vị  liên tục bằng phép định vị  rời rạc trong   định vị quỹ đạo bay. I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện nay ở  mức giá một vài  trăm dola những người sử  dụng không chuyên cũng đã có thể  mua được máy thu GPS đơn giản, có   kích thước, trọng lượng rất nhỏ  (như  đồng hồ  đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ  ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ  dễ sử dụng. I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theo thời gian   thực. Các  ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ  định vị  GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các   vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân. I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI  ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY Từ  năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để  đạt được các thành   tựu mới về  độ  chính xác và về  mở  rộng phạm vi kỹ  thuật. Nói chung các thay đổi chủ  yếu về  kỹ  thuật GPS là: Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều hơn trên mỗi điểm đo; Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn trong thu tín hiệu   như trước đây; Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian; Antenna được cải tiến để  có độ  nhậy cao hơn và khắc phục các sai số  nhiễu tín hiệu do  môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanh antenna; Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để  nâng cao việc hạn chế sai số do quỹ đạo  vệ tinh, sai số của tầng bình lưu. Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến nay như sau:  I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo: Trong công nghệ GPS có một số  nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắc phục đã được   áp dụng như sau: Sai số  do quỹ đạo vệ  tinh: Đây là nguồn sai số  khá lớn nhưng tác động chủ  yếu vào toạ  độ  tuyệt đối xử  lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy, thông thường toạ  độ  tuyệt đối trong hệ  WGS­84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ  chính xác khoảng từ 10 m tới100 m. Toạ độ  này có   vai trò rất quan trọng trong việc tính toán gia số  toạ  độ   X,  Y,  Z của các base line. Nếu độ  chính  xác toạ  độ  tuyệt đối của một đầu base line tăng được từ  100m tới 2m thì độ  chính xác của  X,  Y,  ­ 12 ­
  13. Z có thể tăng thêm được 1 dm. Chính vì vậy người ta cần có toạ  độ gần đúng trong hệ WGS­84 tới   cỡ  2 m để  có được các base line có độ  chính xác cao. Để  khắc phục các sai số  này người ta đã sử  dụng các biện pháp sau: Có được lịch vệ  tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ  tinh chính xác có thể  có được nếu   yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không tiện dùng vì phải chờ  đợi trong thời gian   không ngắn. Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được   lịch vệ  tinh thông qua các phần mềm xử  lý PseudoRange mới, độ  chính xác đạt được tới 1 m. Độ  chính xác này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả  lan truyền toạ độ  theo các base line từ 1 điểm gốc toạ  độ  tuyệt đối cũng như  với toạ độ  đo nối với   lưới IGS quốc tế. Sử  dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệ  RTCM với các   số  hiệu chỉnh toạ độ  được cung cấp từ  hệ thống các trạm định vị  cố  định toàn cầu. Công nghệ  này   cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo. Sai số  do môi trường truyền sóng:  Môi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai số  chủ  yếu   trong quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu: Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ khoảng không vũ   trụ  vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai số  này không gây  ảnh hưởng lớn  tới  kết quả   đo trong   khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cách dài. Để khắc phục người ta đã sử  dụng tần số  thứ hai khi đo đạc trên khoảng cách dài. Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ  tia sóng đi trong lớp khí quyển gần  mặt đất. Sai số  này có tác động chủ  yếu cho khoảng cách ngắn mà không đáng kể  trên khoảng cách   dài. Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần   mềm đã sử  dụng số  hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độ  chính xác cao hơn sử  dụng các số  hiệu chỉnh do nhiệt độ, áp suất, độ ẩm. Sai số  nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số  này có 2 nguồn gây ra: một là do các nguồn phát   sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể  đặt quanh antenna. Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến các antenna có độ  nhậy cao hơn, có   khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (cả firmware và software). Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng hồ vệ tinh   và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ  chính xác kết quả đo GPS. Tất   nhiên cải tiến đồng hồ  máy thu là một việc có thể  làm ngay được, ví dụ  như  lắp đặt các đồng hồ   nguyên tử như trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giá thành máy thu. Người ta chỉ  có thể  cải tiến các đồng hồ  thạch anh trong máy thu để  có khả  năng ổn định hơn trong giai đoạn đã   đồng bộ với đồng hồ vệ tinh. Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base line có độ  chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990. Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng được độ chính xác từ  cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạt được. I.6.2  Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới: Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số đo. Người ta   tập trung vào 2 giải pháp sau đây: Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị  đo có thể  có được để  loại trừ  sai   số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai   là hiệu trị đo giữa các vệ  tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất. Sử  dụng hiệu bậc   mấy để  có một lời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ  theo thời   gian. Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử  lý các base line trong   giai đoạn 1990 ­ 1994, đến 1995 họ đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn   nhiều. Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta   đã đưa ra các bộ  lọc hoàn chỉnh hơn để  sao cho trong trị  đo chỉ  còn nhiễu ngẫu nhiên. Trong phần  mềm mới GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ  lọc mới tạo hiệu quả  đáng kể  trong xử lý các base line. ­ 13 ­
  14. I.6.3  Nâng cao khả năng công nghệ của GPS: Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ  quan tâm tới phương pháp đo tĩnh. Như  trên giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ  chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần   cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước   đây. Ngoài ra công nghệ GPS đã được phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác nữa để  áp dụng cho  nhiêù mục tiêu khác nhau như: RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ chính xác   tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn; RTCM cho đo động với số  hiệu chỉnh toạ  độ  được gửi từ  trạm tĩnh tới trạm động đạt   được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình; MSK cho đo động tương tự  như  RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ  chính   xác cỡ 1 m; Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm . ­ 14 ­
  15. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG. Máy thu GPS nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, vậy tại điểm đo cần có một khoảng trống với   khoảng thiên đỉnh phù hợp với việc xuất hiện 4 vệ tinh đồng thời thông hướng tới máy thu trong thời   gian đo. Nếu khoảng trống trên không có vật gì che khuất thì chất lượng tín hiệu hoàn toàn sạch. Tín  hiệu có thể bị đứt quãng hoặc nhiễu nếu trong khoảng trống bị tán cây bao phủ hoặc mây che khuất.   Nếu mây che khuất là loại mây không mang mưa thì tín hiệu nhận được vẫn đảm bảo chất lượng tốt.   Các tán cây bao phủ cần dọn dẹp để có một độ  quang tối đa. Nếu các điểm đo không phải là những   điểm cũ thì ta có thể xê dịch điểm đến một vị trí quang đãng hơn. Một nhược điểm nữa của việc bố  trí điểm GPS trên mặt đất là không được bố  trí gần các  trung tâm phát sóng mạnh, khoảng cách phải lớn hơn 500 m. Nếu cần thiết phải bố trí điểm tại đó   chúng ta phải đo vào lúc đài phát không làm việc. Để đạt được độ chính xác cao khi đo GPS phải chọn thu tín hiệu các vệ tinh có đồ  hình phân  bố đều trên bầu trời xung quanh điểm đặt máy thu.  Đồ hình vệ tinh tốt là đồ hình trình bày ở hình 1. Đồ hình ở hình 2 là đồ hình xấu. Hình 2 Hình 1 Môi trường rộng hơn xung quanh điểm đo phải nói tới toàn bộ bầu khí quyển. Như ta đã biết,  bầu khí quyển được chia thành 3 lớp: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng ion. Tầng bình lưu không   gây ảnh hưởng tới việc truyền tín hiệu trong khí quyển. Tầng đối lưu và tầng  ion có ảnh hưởng trực  tiếp làm cong tia tín hiệu trong khí quyển. Tầng ion gây nên độ  cong tia tín hiệu do khúc xạ  khi tia   truyền từ trên không vào bầu khí quyển. Nếu khoảng cách đo trên mặt đất không xa nhau thì các tia bị  khúc xạ đều và không gây ảnh hưởng tới gia số tọa độ các điểm mặt đất. Vì vậy để đo giữa các điểm   mặt đất có khoảng cách dài, chúng ta phải sử dụng máy thu 2 tần số. Việc thu song song 2 tần số L1   và L2 cho phép ta loại được độ chiết quang không đồng nhất giữa các tia xa nhau. Tầng đối lưu cũng gây cho ta trở  ngại lớn trong việc đo đạc với độ  chính xác cao. Quy luật   của tầng đối lưu được mô tả  trong các mô hình khí quyển. Mô hình được sử  dụng trong công nghệ  GPS là mô hình của Hopfield. Trong mô hình này, chúng ta phải tiến hành đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm   tại các điểm đặt máy thu. Sau khi tính các số hiệu chỉnh chúng ta đạt được độ chính xác cỡ  0.5cm. Để  loại trừ  cao nhất  ảnh hưởng của tầng đối lưu chúng ta có thể  chọn thời gian đo thích hợp theo từng  mùa. Tại các thời điểm này Gradient các tham số của tầng đối lưu bằng 0. Vấn đề  tác động của môi  trường tới các trị đo vệ tinh được thể hiện ở  các loại nhiễu khác nhau trong trị đo. Các loại nhiễu này   có 2 dạng: 1. Máy thu được trị đo bị gián đoạn 2. Máy thu nhận sai các tham số của trị đo. Để  loại nhiễu loại 1 chúng ta có thể  dùng phương pháp nội suy để  liên tục hóa dãy trị  đo.   Riêng những nhiễu loại 2 chúng ta phải dùng các công cụ  tính toán thống kê để  loại bỏ. Hiện nay  người ta vẫn dùng công thức lọc của Kalmann. Điều này có nghĩa là nhiễu loại 2 phải được loại bỏ,   nhưng loại bỏ như thế nào cho hợp lý lại là toàn bộ vấn đề của phần mềm phục vụ chỉnh lý số liệu. II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS. Khi xây dựng lưới trắc địa, công nghệ  GPS được ứng dụng như  một phương pháp đo có ưu   thế  hơn hẳn các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên đồ  hình lưới trắc địa về  cơ  bản vẫn áp dụng   các đồ hình truyền thống. Do những ưu việt của phương pháp công nghệ GPS một số tiêu chuẩn của   đồ hình lưới có thể đơn giản hơn. Dưới đây là các dạng đồ hình thông dụng: a. Đồ hình lưới tam giác dày đặc 15 / 28
  16. ­ Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 3), ­ Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác (hình 4),   b. Đồ hình lưới tứ giác (hình 5),   c. Đồ hình lưới đường chuyền  ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 6),   ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh (hình 7),   ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác (hình 8),   ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn (hình 9),   Hình 3 Hình 4 Hình 5 Hình 6 Hình 7 Hình 8 Hình 9 Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau: 1. Lưới trắc địa đo bằng công nghệ  GPS có thể  thiết kế  dưới dạng lưới tam giác, tứ  giác hoặc   đường chuyền. 2. Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo tất cả các cạnh. 3. Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau: ­ Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể; ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể; ­ Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác; ­     Đồ hình lưới tứ giác; ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh tam giác; ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác chỉ đo nối các cạnh tứ giác; ­ 16 ­
  17. ­ Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh; ­     Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn, 4. Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời gian đo phải lớn hơn thời   gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo nối ít nhất với 3 điểm   khác. 5. Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng. Trong điều kiện Việt Nam, thời gian đo tối thiểu   đối với các cạnh dưới 5 km  nên là 90 phút, các cạnh trên 5 km ­ 180 phút.  6. Chênh lệch độ  dài các cạnh nối các điểm liền kề  không được quá lớn (theo kinh nghiệm không  nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình). 7. Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ  chính xác của lưới, nhưng không nên thiết   kế góc kẹp quá nhỏ.   II.3  ĐO GPS. Trong phần này sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích thời điểm và thời gian đo GPS. Việt Nam có vị trí địa lý ở  vĩ độ thấp, do đó hầu như htời điểm nào cũng có đủ tối thiểu 4 vệ  tinh GPS bay qua, tuy nhiên với thời gian đo tối thiểu đối với các cạnh có chiều dài khác nhau như đã   nhận xét  ở  trên, không phải thời điểm nào kết quả  đo GPS cũng đạt các yêu cầu. Để  dễ  dàng trong  việc tính cạnh và đạt kết quả  cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để  chọn khoảng thời   gian đo tối ưu phù hợp với số thời gian đo tối thiểu. Việc lập lịch đo có thể  tiến hành theo chương trình trong bộ  phần mềm xử lý kèm theo các   loại máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng Intergraph là chương trình MISSION   PLANNING). Nội dung lập lịch đo là  xác định kế hoạch đo hợp lý nhất với từng vị trí trên trái đất và   từng thời điểm. Chương trình lập lịch đo cho ta các biểu đồ về tất cả các chỉ tiêu của vệ tinh GPS để  lựa chọn. Các biểu đồ chính được trình bày trong các hình 10 đến hình 17. Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu trời trong 24  Hình 11: Số lượng vệ tinh trong từng   giờ thời điểm Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với điểm đặt   máy thu  Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong từng thời  điểm Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh  Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng  Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh Hình 17:Độ chính xác hình học   ­ 17 ­
  18. Từ  các biểu đồ  trên đây, chúng ta có thể  thấy rằng đối với vị  trí địa lý của Việt Nam thời   điểm đo GPS tốt nhất là vào ban đêm từ  khoảng 19 giờ  đến nửa đêm và từ  4 đến 7 giờ  sáng, buổi   chiều từ khoảng 14 đến 16 giờ. Cũng trong các khoảng thời gian trên có số  vệ  tinh bay qua lớn nhất   (trên 8 vệ tinh). Đối với hầu hết các lâọi máy thu đo GPS có thể tiến hành theo một trong 2 kiểu: 1. Đo nhanh (Quick Start): là chế độ bật máy và máy sẽ thu ngay tín hiệu của các vệ tinh đang   có trên bầu trời. Chế độ này không đòi hỏi một sự chuẩn bị trước nào khác. 2. Đo theo chương trình đặt trước ( Pre­Planned Start)  là chế đo được chuẩn bị trước. Đo theo  chương trình có 2 loại: theo giờ  định trước cho mỗi ngày và theo giờ  cùng ngày định trước. Loại thứ  nhất thường dành cho việc đo trên những điểm gốc đặt cố định còn loại thứ 2 thường dùng để đo trên  những điểm dã ngoại. ở  chế độ  đo theo chương trình chúng ta có thể  đặt trước tên điểm đo, ghi chú   điểm, thời gian bắt đầu đo, thời gian kết thúc đo, độ  cao vệ tinh bắt đầu thu tín hiệu, số  hiệu những  vệ tinh máy cần nhận tín hiệu. Khi sử dụng chế độ đo theo chương trình (PRE ­ LANNED START) trên máy thu chúng ta cần   phải   đặt   trước   tên   trạm   đo   và   thời   gian   đo   thích   hợp   (xác   định   theo   chương   trình   MISSION  PLANNING).  Sau khi kết thúc đo chúng ta trút trị đo từ máy thu vào máy tính bằng chương trình trút số  liệu  tương ứng (DOWNLOAD DATA) .  Đối với các loại máy thu của Hãng Trimble Navigation trị  đo bao gồm các tập hợp (files):   T.EPH, T.MES, T.ION, T.DAT (T là tên tập hợp). Tập hợp T.EPH là tập hợp chứa lịch vệ  tinh, tập   hợp T.MES chứa những thông tin bổ  sung, tập hợp T.ION chứa tham số về tầng ion c ủa khí quyển  còn tập hợp T.DAT chứa số  liệu đo bao gồm pha    và thời gian t. Đối với loại máy thu của Hãng   Ashtech trị  đo gồm 3 tập hợp có ký hiệu đầu là B, E và S. Tập hợp B, E tương đương với T.DAT,   T.EPH, còn tập hợp S chứa các số liệu khí tượng. Để có thể tính cạnh bằng các phần mềm khác nhau,  khi trút số liệu nên chuyển các tập hợp trị đo về dạng RINEX. II.4  XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES) II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) Tín hiệu vệ tinh GPS máy thu nhận được bao gồm: số hiệu chỉnh đồng hồ  vệ tinh, giờ  quốc   tế  UTC, mô hình tầng điện ly, lịch và tình trạng hoạt động của các vệ  tinh để  xác định vị trí của vệ   tinh v.v… Bằng các dữ liệu trên và thời gian đo được giữa thời điểm vệ tinh phát tín hiệu và thời điểm  máy thu nhận được tín hiệu ta có thể  tính được khoảng cách từ  máy thu (tâm ăng­ten) đến vệ  tinh  khoảng cách này được  gọi là giả  cự  ly (pseudo­range). Mô hình trị  đo GPS được biểu diễn dưới   dạng[4]: p =   + c(dt­dT) + dion + dtrop (8) Trong đó: ­ p là cự ly quan trắc, ­   được xác định thông qua hàm của toạ độ trạm đo và toạ dộ vệ tinh, ­ c(dt­dT) là độ lệch đồng hồ vệ tinh và máy thu, ­ dion + dtrop là các số hiệu chỉnh tầng điện ly và đối lưu. Nguyên lý của việc tính cạnh đo GPS trong lưới trắc địa là giải phương trình vec­tơ: Rij = Rj  ­ Ri (9) Trong đó  Rij là trị tựa quan trắc của hiệu toạ độ có hiệp phương sai là C R. Theo nguyên lý trên việc tính cạnh (tính baselines) được thực hiên theo các bước sau đây: Bước thứ nhất là xác định tọa độ tuyệt đối của các điểm đầu cạnh. Để làm việc này, chúng ta   sử dụng phương trình đo (1) và giải ra các tọa độ xp, yp, zp, với độ chính xác cỡ 10 m. Bước tiếp theo là xác định sai số  tọa độ  giữa các điểm mặt đất. Trong bước này chúng ta có   thể sử dụng công thức (6) để thiết lập hệ thống phương trình đo dưới dạng: V= a1x1 + a2x2 + L (10) Trong đó: x1 ­ Vector tọa độ các trạm mặt đất. ­ 18 ­
  19. x2 ­ Vector tham số mô tả các mô hình ảnh hưởng hệ thống. P(t),  s(t) và  p, A1, A2 ­ Các ma trận hệ số. V ­ Vector số hiệu chỉnh. L ­ Vector số hạng tự do. Để giải hệ thống (8) chúng ta sử  dụng phương pháp sai phân. Nội dung của phương pháp là   tìm ma trận D trực giao với ma trận A 2 và nhân 2 vế của (8) với D. Chúng ta có: DV = DA1x1 ­ DL (11) hay V = A1x1 ­ L (12) Trong đó V = DV, A1 = DA1, L=DL nếu L trong (8) là các trị đo có cùng độ chính xác thì hệ (9)  sẽ có phương trình chuẩn: (A1TDT (DDT)­1DA1)X1 = (ATDT(DDT)­1D)L (13)  Ma trận D được gọi là ma trận sai phân và yêu cầu phải có dạng đầy (để  ma trận DD T  có  dạng ngược). Vấn đề đặt ra là phải xác định được ma trận sai phân D. Việc này sẽ  được giải quyết   nếu chúng ta lưu ý tới các trị đo từ nhiều điểm mặt đất tới vệ tinh ở  nhiều thời điểm khác nhau. Theo hướng này chúng ta phân ra 3 loại toán tử sai phân: 1. Toán tử   ­ hiệu trị đo giữa 2 vệ tinh và một trạm mặt đất, toán tử này loại trừ ảnh hưởng   hệ thống của trạm đo  p(t). 2. Toán tử   ­ hiệu trị đo giữa 2 trạm mặt đất và 1 vệ tinh, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ  thống của vệ tinh  s(t). 3. Toán tử   ­ hiệu trị đo giữa 2 thời điểm liền nhau giữa 1 vệ tinh và 1 trạm mặt đất, toán tử  này loại trừ ảnh hưởng hệ thống hằng số  sp. Các toán tử sai phân này gọi là sai phân bậc 1 (single difference). Tích của các loại toán tử sai   phân bậc 1 chúng ta có toán tử sai  phân bậc 2 (double difference). 1.   và   loại từ ảnh hưởng của  p(t) và  s(t). 2.   và   loại từ ảnh hưởng của  p(t) và  s(t). 3.   và   loại trừ ảnh hưởng của  s(t)  s(t) tích hỗn hợp của 3 loại toán tử sai phân bậc 1 ta  có toán tử sai phân bậc 3 (triple difference). Các toán tử  này có dạng  ,  ,  ,  ,  ,  đều loại trừ cả 3 ảnh hưởng hệ thống  p(t),  (t) và  .  s II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) Theo nguyên lý trình bày trên đây, có nhiều phần mềm được xây dựng để  xử  lý số  liệu đo   GPS. Hầu hết các phần mềm được cung cấp kèm theo máy thu GPS. Trong khuôn khổ đề  tài này chỉ  nghiên cứu thử nghiệm các phần mềm xử lý số liệu đo GPS để thành lập lưới trắc địa.  Sự khác nhau của các hệ thống phần mềm tính cạnh chỉ thể hiện ở  chỗ chọn loại toán tử  sai   phân nào cho phù hợp. Ví dụ  chương trình của Remondi (1984) chọn loại toán tử  sai phân bậc 1:  ,  chương trình của Vanicek (1985) chọn toán tử  sai phân bậc 2:  , còn chương trình của Eren (1987)   chọn toán tử sai phân bậc 3:  . Đối với các tập hợp trị đo hoàn toàn lý tưởng (không bị nhiễu) thì chúng ta có thể tự động hóa  từ đầu đến cuối. Rất đáng tiếc là tập hợp trị đo nói trên có nhiễu, trong trường hợp này chúng ta phải   dùng chế độ  không tự  động. Trong chế độ  này người tính phải có nhiều kinh nghiệm để  quyết định  loại bỏ  số  liệu bị  đứt đoạn, quyết định số  lần lặp v.v... Điều quan trọng nhất là bằng những kinh   nghiệm đã có chúng ta có thể tìm nhanh chóng được lời giải thỏa mãn các tiêu chuẩn đã đặt ra ở  phần   trên. Độ sạch của số  liệu càng lớn thì quá trình tính toán càng nhanh. Độ  sạch càng thấp thì tính toán  càng lâu và thấp tới mức nào đấy thì sẽ không tìm thấy lời giải thỏa đáng. Ở Việt Nam hiện nay các máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây dựng lưới trắc địa chủ yếu   là máy thu của Hãng Trimble Navigation, do đó trong phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm   để   rút   ra   các   chỉ   tiêu   xử   lý   số   liệu   đo   GPS   bằng   2   phần   mềm   của   Hãng   Trimble   Navigation:   TRIMVEC PLUS và WAVE. Phần mềm TRIMVEC PLUS  Phần mềm TRIMVEC PLUS là một bộ chương trình gồm 2 chương trình:  ­ 19 ­
  20. TRIM640: Là chương trình dùng để xử lý từng cạnh đơn  ­ Xác định ra một vector giữa   2 điểm trong không gian. TRIMMBP: Là chương trình có thể  xử  lý nhiều cạnh trong không gian ­ Xác định ra các   vector giữa nhiều điểm trong không gian. Cả hai chương trình có thao tác tương đối giống nhau nhưng lại cho ra các kết quả khác nhau.  Ngoài  ra, TRIM640 có chạy nhanh hơn đôi chút so với TRIMMBP. Trong thực tế người ta thường sử  dụng TRIM640 trong các trường hợp kiểm tra chất lượng đo ở  ngoại nghiệp. Sử dụng phần mềm TRIMVEC PLUS ta có thể tính toán các đại lượng  sau đây: PSEUDO ­ RANGE: Cho phép tính toán tọa độ tuyệt đối của từng điểm. TRIPLE SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 3  . Lời giải  này có độ  chính xác không cao khi khoảng cách ngắn. Lời giải có xác suất tốt hơn với khoảng cách   lớn hơn 50 km. Lời giải này có tên là lời giải TRIPLE. FLOAT SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử  dụng sai phân bậc 2  . Lời giải  có xác suất tốt hơn với khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Lời giải này mang tên FLOAT. FIXED SOLUTION: Cho ta lời giải theo ph ương pháp sử  dụng sai phân bậc 2  . Lời giải  này khác với những lời giải TRIPLE và FLOAT là có thêm phần kiểm định tiêu chuẩn Fisher giữa các   nhóm trị đo để khẳng định độ tin cậy của lời giải. Lời giải này mang tên FIX. Trong trường hợp các trị đo không bị nhiễu thì các lời giải hoàn toàn trùng nhau. Đó là trường  hợp lý tưởng. Thực tế trị đo luôn luôn có nhiễu  ở  những mức độ  khác nhau vì lý do này các lời giải   khác nhau. Vì lời giải FIX có khả năng phân tích phương sai để kiểm định chất lượng theo tiêu chuẩn   Fisher, nên lời giải này có độ  tin cậy lớn nhất. Lời giải FIX đưa ra các tham số  về  độ  chính xác lời   giải: RDOP (Relative Dillution of Position ­ đơn vị chu kỳ/mét), RMS (Root Mean Square ­ đơn vị chu   kỳ, một chu kỳ=19 cm),   (phương sai của vị trí điểm tương hỗ), RATIO ­ độ tin cậy của lời giải, F ­   chuẩn Fisher. Thông thường, các lời giải FLOAT và TRIPLE  nếu sử  dụng phải thực hiện thông qua   việc xử lý bán tự động.  Kết quả tính cạnh cần đạt các chỉ tiêu sau đây: Ratio cần phải lớn hơn 3.0; RDOP 3­0.02D km. Khi các tiêu chuẩn trên   đã được thỏa mãn thì lời giải FIX được coi là có độ tin cậy 99,99%. Trong những trường hợp các tiêu  chuẩn trên bị vi phạm từ 1 tới 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì các lời giải FIX cần phải được cân nhắc   (độ  tin cậy có thể giảm tới mức 90%). Lúc này ta có thể cân nhắc giữa lời giải FLOAT và FIX (với   khoảng cách 50 km) hoặc giữa lời giải TRIPLE và FIX (với khoảng cách 50 km). Việc cân nhắc này   được quyết định thông qua sai số các vòng khép tọa độ. Nếu các tiêu chuẩn của lời giải FIX, FLOAT   và TRIPLE bị vi phạm quá 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì lời giải coi như bị loại bỏ, tức là phải đo   lại. Ngoài ra cần lưu ý các chỉ tiêu sau đây: ­ 20 ­
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản