9/8/2013
1
Chương 3
NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ GPS
3.1 NGUYÊN LÝ ĐỊNH VỊ
3.1.1 Định vị điểm đơn
Đo khoảng cách từ điểm đo (anten GPS) đến 4 vệ tinh sau
đó dùng toạ độ vệ tinh và phép giao hội cạnh hình học xác định
toạ độ điểm cần đo.
Máy thu GPS thông thường dùng để định vị điểm đơn là
loại máy cầm tay. Các máy thu này xử lý trị đo và cho kết quả ở
ngay thực địa.
Ứng dụng máy cầm tay chủ yếu trong dẫn đường và
thu thập số liệu bản đồ, GIS độ chính xác thấp.
Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ
độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy
thu. Về mặt hình học có thể mô tả sự định vị tại một thời
điểm như sau:
- Nếu có một vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt
cầu thứ 1 có tâm là vị trí vệ tinh, có bán kính bằng khoảng
cách đo được từ vệ tinh đến máy thu;
- Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu
thứ 2 có tâm là vệ tinh thứ 2, có bán kính là khoảng cách
từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu.
Kết hợp trị đo đến 2 vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ
nằm trên giao của 2 mặt cầu trong không gian - đó là một
đường tròn;
- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm
đo sẽ là giao của mặt cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên -
kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không gian
Nguyên lý định vị điểm đơn
- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1
nghiệm duy nhất đó chính là vị trí của điểm đo trong không
gian.
Như vậy, ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định
toạ độ điểm đo trong không gian 3 chiều
Khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn 4 và số lần
thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm đo được giải theo
phương pháp số bình phương nhỏ nhất.
Nguyên lý định vị điểm đơn cho độ chính xác thấp
hơn nhưng sử dụng tốt trong dẫn đường, vì nó cho kết
quả định vị tức thời với độ chính xác phù hợp với công tác
đạo hàng,
Do ảnh hưởng của sai số vị trí của các vệ tinh trên
quỹ đạo, do sai số đồng hồ và các yếu tố môi trường
truyền sóng khác dẫn đến độ chính xác định vị điểm đơn
đạt từ 100m đến 30m trong hệ toạ độ WGS - 84.
Ngay cả khi chính phủ Mỹ loại bỏ nhiễu SA thì việc
định vị tuyệt đối chính xác nhất cũng chỉ đạt tới con số
vài mét. Với độ chính xác này không thể áp dụng cho
công tác trắc địa.
Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ
thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao đó
là định vị tương đối
3.1.2 Định vị tương đối và phân sai
9/8/2013
2
Trước hết cần phân biệt giữa định vị phân sai và
định vị tương đối. Định vị phân sai áp dụng với trị đo
code, định vị tương đối áp dụng với trị đo phase
Tuy nhiên, định vị phân sai hay tương đối có đặc
điểm chung là khi hai hay nhiều máy thu cùng quan sát
đồng thời một số vệ tinh thì hầu hết sai số nhiễu cố ý SA
sinh ra và chiết suất khí quyển bị loại trừ.
Do vậy, gia số toạ độ chính xác được xác định
bằng kỹ thuật GPS phân sai và tương đối. Phương
pháp này cho vector cạnh không gian 3 chiều
(baseline) giữa các tâm anten máy thu.
- GPS phân sai và tương đối hiệu quả hơn đối với cạnh
ngắn vì sai số do ảnh hưởng của khí quyển được coi là đồng
đều đối với các máy thu.
- GPS phân sai và tương đối khi đo với cạnh dài sẽ kém
chính xác hơn do nguyên lý ảnh hưởng đồng đều của khí
quyển không còn phù hợp nữa.
- Trị đo GPS tương đối với máy hai tần số cho độ chính xác
tốt hơn nhưng không hoàn toàn loại bỏ được lỗi do khí quyển.
- Điều quan trọng là nên chọn cạnh ngắn (< 30km) đối
với trị đo GPS tương đối.
- Đo tương đối cần ít nhất hai máy, một máy thu
(trạm tĩnh) đặt cố định trên trên điểm khống chế đã có
tọa độ theo dõi càng nhiều vệ tinh càng tốt.
- Máy thu thứ hai di động (máy rover-trạm động) đặt
ở những điểm cần xác định toạ độ (điểm đo) so sánh với
điểm cố định và theo dõi đồng thời ít nhất 4 vệ tinh
chung với trạm tĩnh.
- Thời gian ghi dữ liệu tại trạm tĩnh và trạm động
phải đồng bộ và cùng tốc độ
Sự khác của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử
dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời
Kết quả của phương pháp không phải là tọa độ điểm
trong hệ tọa độ GPS mà là véc tơ không gian (Baseline) nối
2 điểm đặt máy thu hay là các thành phần số gia toạ độ (∆X,
∆Y, ∆Z) của 2 điểm trong hệ toạ độ GPS. Độ chính xác
tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong trắc địa.
- Độ chính xác đo GPS tương đối và phân sai phụ
thuộc vào:
+ Độ chính xác điểm khống chế đặt trạm tĩnh;
+ Loại trị đo GPS nào được sử dụng (trị đo code,
hoặc trị đo phase hoặc tổ hợp cả hai loại trị đo)
+ Khoảng cách giữa trạm tĩnh và động.
Để đạt được độ chính xác cao trong định vị tương đối
người ta thường tạo ra sai phân. Nguyên tắc của việc
này là:
Dựa trên sự đồng ảnh hưởng của các nguồn sai số
đến toạ độ của điểm cần xác định trong bài toán định vị
tuyệt đối như sai số đồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số toạ
độ vệ tinh, ảnh hưởng của môi trường…
Phương pháp ở đây là lấy hiệu trị đo trực tiếp để tạo
thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt
các sai số kể trên.
9/8/2013
3
1. Đo GPS tương đối theo trị đo pha
Định vị tương đối tốt nhất nên sử dụng trị đo phase.
Độ chính xác các điểm định vị tương đối cao hơn và
chủ yếu áp dụng trong trắc địa .
Đo GPS tương đối theo trị đo phase, trị quan trắc
GPS thô (raw) được lấy sai phân để tạo thành trị đo mới
có khả năng loại trừ hoặc giảm bớt các sai số chung.
Trị đo sai phân bậc một (sai phân đơn) là hiệu số
giữa hai máy thu và một vệ tinh trị đo này loại trừ được
sai số đồng hồ vệ tinh.
Trị sai phân đơn có thể là hiệu số giữa hai vệ tinh và
một máy thu, trị đo này loại trừ sai số đồng hồ máy thu.
Trị đo sai phân kép là hiệu số giữa hai trị đo sai
phân đơn đây là trị đo chuẩn trong đo GPS tương đối và
số đa trị nguyên được xác định như đã nêu.
Trị đo sai phân bội ba (triple difference obsenable) là
hiệu số hai trị sai phân kép theo thời gian. Trị đo này
không phụ thuộc vào số đo trị nguyên, do vậy được ứng
dụng để xử lý sự trượt chu kỳ.
2. Đo GPS phân sai dựa vào trị đo Code
- Hệ thống đo GPS phân sai sử dụng máy thu một
tần số và khoảng cách tính theo trị đo C/A-Code
- Máy thu tại trạm tĩnh so sánh khoảng cách gần
đúng (pseudorange) đo được với khoảng cách thực
tính từ vị trí anten và vị trí vệ tinh để xác định số cải
chính phân sai.
- Số cải chính phân sai do trạm tĩnh được áp dụng
cho các máy thu di động.
- Các số cải chính phân sai coi là như nhau đối với
anten (di động) ở xa, nó được dùng để cải chính vào
khoảng cách gần đúng (pseudorange) của máy di
động và do vậy nâng cao độ chính xác định vị của nó.
3.2 KỸ THUẬT ĐO GPS
3.2.1. Đo tuyệt đối
Là kỹ thuật xác định toạ độ tuyệt đối của điểm đặt máy
thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu (WGS-84).
Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ
việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở
khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ
của các vệ tinh tại thời điểm đo.
Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm
thấp, không dùng được cho việc đo đạc chính xác. Đối với
phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh.
3.2.2. Đo tương đối
Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ
độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu
của khoảng cách cần đo (base line).
Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ
được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo
dạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác
đo đạc bản đồ các tỉ lệ.
Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2
máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo.
9/8/2013
4
1. Đo GPS tĩnh (Static)
Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả
hai trị đo code và phase sóng mang (carrier phase). Hai
hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại các
điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ
1 giờ trở lên.
Thời gian đo kéo đài để đạt được sự thay đổi đồ
hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư (nhiều hơn 4 vệ tinh), và
giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính
xác cao nhất.
Dưạ vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà
người ta chia thành các dạng đo tương đối sau:
Độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn
cứ vào:
- Độ dài cạnh đo;
- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc;
- Độ chính xác yêu cầu với lưới GPS;
- Cấu hình vệ tinh
- Độ ồn tín hiệu vệ tinh thu được
- Tình trạng thông thoáng tại các vị trí đặt máy
Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình
vệ tinh càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn
hơn
2. Đo GPS tĩnh nhanh (FastStatic).
Phương pháp này có bản chất giống như đo GPS tĩnh
nhưng thời gian đo ngắn hơn gọi là đo nhanh tăng tốc độ
đo là do giải nhanh được số nguyên đa trị.
Phương pháp đo tĩnh nhanh và máy thu GPS 2 tần
số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn < 25km. Thời gian đo
tĩnh nhanh phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh
Số vệ tinh nhiều hơn 4 báo đảm trị đo dư với đồ hình
vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm số nguyên đa trị và
giảm thời gian định vị, thời gian đo tại một trạm nói chung
thay đổi từ 5' - 20' tương ứng với 6 - 4 vệ tinh.
Đo tĩnh nhanh năng suất hơn đo tĩnh, độ chính xác
kém hơn một chút so với đo tĩnh (1cm + 2ppm). Hiện nay
các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với
tần số L1 - C/A Code. Ví dụ hãng Trimble đã phát triển kỹ
thuật đo tĩnh nhanh với máy thu một tần số L1- 4600LS
3. Đo GPS động (Kinematic)
Phương pháp được tiến hành với 1 máy đặt tại trạm cố
định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác đặt tại
các điểm cần đo toạ độ.
Đo GPS động là giải pháp đo nhằm giảm tối thiểu thời
gian đo so với phương pháp GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính
xác đo khoảng cách cỡ cm.
Nguyên lý đo động là giải được số nguyên đa trị (số
nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác
định nhờ giải pháp khởi đo và được duy trì bằng cách thu
tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh (tốt hơn là 5) trong
khi đi chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo
tại các điểm này chỉ cần một vài trị đo
3.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ ĐO GPS
3.3.1 Tầm nhìn vệ tinh
Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải có tầm
nhìn thông tới ít nhất 4 vệ tinh. Rõ ràng là khi sử dụng
được càng nhiều vệ tinh thì kết quả định vị càng tốt hơn.
Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó
có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua
được tán cây hoặc các vật che chắn như nhà ở.
Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan
trọng đặc biệt đối với công tác trắc địa GPS xây dựng các
mạng lưới khống chế toạ độ
9/8/2013
5
3.3.2. Hiện tượng đa tuyến
Anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với
ngưỡng góc cao trên 150.
Việc chọn ngưỡng góc cao l50 này nhằm giảm ảnh
hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng
đa tuyến, hiện tượng đa tuyến phát sinh khi tín hiệu GPS
phản xạ từ các địa vật gần máy thu
Do vậy đường truyền tín hiệu GPS cần phải tránh khu
vực có khả năng phản xạ như hồ nước mặn, nhà cao tầng,
xe cộ
Tránh đặt máy thu gần các địa vật kim loại như hàng
rào lưới thép đường truyền tải điện để phòng tránh sự tạo
ảnh vì trong trường hợp đó vật kim loại có vai trò như anten
thứ cấp làm méo kết quả định vị.
3.3.3. Sự phân tán độ chính xác (DOPS)
Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ
tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu
trời. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh là hệ số phân tán độ
chính xác, chỉ số DOP chia ra:
- PDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí.
- TDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian.
- HDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng
- VDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về chiều cao.
- GDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về hình học.
Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số
DOP đạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ
tinh đạt yêu cầu với chỉ số thấp DOP < 6
3.3.4. Các sai số đo
Khi đo GPS tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính
xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi. Điều này đặc
biệt quan trọng đối với điểm gốc qui chiếu (trạm tĩnh), bởi vì các
lỗi bị mặc phải ở đây sẽ lan truyền tới tài cả các điểm tiếp sau.
Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm
hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác. Đo chiều cao
anten không đúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo
GPS.
Một loại sai số đo khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS.
Nguyên nhân là do phần mạch điện tử và sự suy giảm độ phân
giải của máy thu. Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ
liệu sạch hơn.
3.3.5. Tâm phase của anten
Tâm phase là một điểm nằm bên trong anten, là nơi
tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện. Các
trị đo được tính vào điểm này. Điều này có ý nghĩa quan
trọng đối với công tác trắc địa, ở nhà máy chế tạo, anten
đã được kiểm định sao cho tâm phase trùng với tâm hình
học của nó.
Ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc
sử dụng mô hình tâm phase ở giai đoạn tính xử lý.
Quy tắc đo là sử dụng cùng một loại anten cho cùng
một ca đo.
3.3.6. Sai số quỹ đạo vệ tinh
Định vị GPS phụ thuộc vào vị trí đã biết của vệ tinh.
Người sử dụng phải dựa vào lịch thông báo vệ tinh mà
lịch vệ tinh có thể bị lỗi vài chục mét. Do vậy nếu sử dụng
quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt
hơn. Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ
đạo vệ tinh:
- Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm
những điểm khung chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh
dành cho công tác đo đạc đặc biệt.