Đồ án Đánh giá độ chính xác đo GPS động (PPK) trong công tác thành lập bản đồ địa hình

tinh thì số thời điểm quan trắc ít nhất là 2. Để tránh các phương trình phụ thuộc tuyến tính khi hình thành sai phân bậc hai, cần phải chọn một vệ tinh tham khảo (Reference satellite) và thiết lập các sai phân bậc hai với các vệ tinh khác. Mô hình sai phân bậc ba thì chứa 3 ẩn số tọa độ điểm. Đối với một sai phân bậc ba cần phải có 2 thời điểm quan sát. Bởi vậy, trong trường hợp có thời điểm, sẽ có tổ hợp thời điểm độc lập tuyến tính. Tức là : (3.1) Từ đó ta có quan hệ sau : (3.2) Từ biểu thức trên ta rút ra : trong trường hợp số lượng vệ tinh tối thiểu quan trắc là 2 vệ tinh thì số thời điểm quan sát . Trong thời điểm quan sát 4 vệ tinh thì cần quan sát ít nhất 2 thời điểm. Tất cả các vấn đề trình bày trên là về định vị tương đối tĩnh. Các mô hình toán học như sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba đã được sử dụng để giải quyết bài toán định vị và loại bỏ các nguồn sai số trong kết quả định vị. Định vị tương đối tĩnh cho độ chính xác rất cao, thông thường có thể đạt độ chính xác 1ppm tức là 1mm trên 1km. Thời gian thu tín hiệu trong mỗi session thường từ 10 phút đến 120 phút tùy thuộc vào khoảng cách đo, số lượng vệ tinh quan sát được, vào cấu trúc hình học và phương pháp sử dụng. Hiện nay, định vị tương đối tĩnh được sử dụng vào các mục đích sau : đo đạc trên phạm vi quốc gia, đo phạm vi trong nước, đo các lưới khống chế khu vực, đo khống chế ảnh, đo địa chính và đo biến dạng 4. Định vị tương đối trạng thái động Định vị tương đối trạng thái động, gọi tắt là định vị tương đối động (Kinematic Relative Positioning). Trong định vị tương đối động, một máy thu được đặt ở mỗi điểm đã biết tọa độ A của một cạnh đáy cố định. Máy thu thứ hai được di chuyển vị trí của nó được xác định trong mọi thời điểm bất kỳ. Phương pháp này cho phép xác định vị trí cho một số lớn điểm trong một thời gian ngắn. Các mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba đều chứa thông tin của sự chuyển động trong khoảng cách hình học. Xét điểm B và vệ tinh j, khoảng cách hình học trong trường hợp tĩnh được thể hiện bởi : (3.3) Và trong trường hợp động, được thể hiện : (3.4) Trong đó vị trí điểm B phụ thuộc vào thời gian t. Trong mô hình toán học này, tại mỗi thời điểm luôn có 3 tần số là tọa độ điểm đo. Như vậy tổng số ẩn số là đối với thời điểm. Mối quan hệ giữa số lượng trị quan trắc và số lượng ẩn số đối với trường hợp định vị động theo mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba như sau : -Sai phân bậc nhất : -Sai phân bậc hai : (3.5) -Sai phân bậc ba : Việc di chuyển liên tục máy thu động hạn chế khả năng xác định tọa độ của nó trong một thời điểm. Số lượng ẩn số được giảm bớt nhờ loại bỏ các ẩn số là số nguyên đa trị. Việc loại bỏ các ẩn số này trong sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai đòi hỏi số vệ tinh theo dõi trong mọi thời điểm là : -Sai phân bậc nhất : (3.6) -Sai phân bậc hai : Các sai phân bậc ba có thể được sử dụng nếu các tọa độ của máy động là đã biết tại một thời điểm quy chiếu nào đó. Trong trường hợp này, hợp lý nhất là : (3.7) Và cũng cần đảm bảo : -Sai phân bậc ba : Như vậy, trong tất cả các mô hình, yêu cầu cơ bản là phải quan trắc đồng thời ít nhất là 4 vệ tinh. Để loại bỏ các số nguyên đa trị đối với sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai đòi hỏi phải biết nó. Từ phương trình (2.9) và (3.1) ta có : Sai phân bậc nhất có dạng : (3.8) Sai phân bậc hai có dạng : (3.9) Trong đó có các ẩn số chỉ có mặt bên vế phải. Nhờ sai phân bậc ba, có thể giảm được số lượng điểm chưa biết nhờ biết trước tọa độ một điểm đã biết. Như vậy tất cả các phương trình có thể được giải nếu một vị trí của máy động đã biết, hợp lý nhất là điểm khởi đầu của máy động. Cạnh đáy liên quan đến điểm khởi đầu được gọi là vector khởi đầu. Với vector khởi đầu, số nguyên đa trị được xác định và được coi là đã biết đối với tất cả các phương trình tiếp theo của máy thu di động trong suốt thời gian không mất khóa tín hiệu và quan sát ít nhất được 4 vệ tinh. 5. Định vị GPS vi phân (DGS) Nếu có 2 máy thu GPS (hoặc nhiều hơn) có thể áp dụng kỹ thuật đo DGPS (Differentical –GPS), trong đó một máy thu đặt ở điểm đã biết tọa độ còn máy thu khác di chuyển và được xác định tọa độ với điều kiện tại cả hai trạm vệ tinh chung quan sát không ít hơn 4. Vị trí đã biết của điểm đặt máy thu cố định sẽ được sử dụng để tính các số hiệu chỉnh GPS dưới dạng hiệu chỉnh vị trí điểm (gọi là phương pháp vị trí –Position methode) hoặc hiệu chỉnh các khoảng cách code đã được quan trắc (gọi là phương pháp trị đo- Measurement Methode). Các số hiệu chỉnh này sẽ được chuyển đi bằng sóng vô tuyến (Radio Link) đến máy động và lập tức tính vị trí điểm để đạt được độ chính xác cao hơn so với trường hợp định vị tuyệt đối. Đối với DGPS thời gian thực có hai phương pháp hiệu chỉnh được áp dụng : Phương pháp thứ nhất là : máy thu tham chiếu được đặt tại điểm đã biết và sử dụng các vệ tinh cùng quan sát với máy thu di động để tính ra vị trí của nó. Sự khác nhau giữa vị trí đã biết và vị trí tính được sẽ là các số hiệu chỉnh vị trí. Các giá trị hiệu chỉnh này sẽ được dùng cho máy thu di động để nhận được vị trí chính xác hơn. Phương pháp này thực hiện nhanh hơn, dễ áp dụng song đòi hỏi việc lựa chọn vệ tinh phức tạp hơn vì cả trạm cố định và trạm động phải quan sát những vệ tinh như nhau. Phương pháp thứ hai : dựa trên các số hiệu chỉnh khoảng cách giả nhận được từ hiệu số giữa khoảng cách tính và khoảng cách giả code quan trắc được tại điểm cố định. Khi sử dụng phương pháp này, các khoảng cách quan trắc tại điểm động được hiệu chỉnh theo giá trị hiệu chỉnh tại điểm cố định. Phương pháp này dễ thích ứng hơn và cho độ chính xác cao hơn. Độ chính xác yêu cầu đối với những người sử dụng GPS rất khác nhau và thay đổi trong khoảng từ vài trăm mét đến cỡ centimet. Song nhóm khá lớn cần sử dụng GPS ở chế độ thời gian thực với độ chính xác cỡ từ 1m đến 10m. Độ chính xác này không thể áp dụng bằng phương pháp định vị tuyệt đối điểm. Bởi vậy cần áp dụng kỹ thuật DGPS. Khả năng này dựa trên cơ sở là các nguồn sai số GPS có thể coi như tương tự nhau trên một vùng cỡ 500km và do đó kỹ thuật vi phân có thể loại trừ phần lớn các sai số lớn trong định vị tuyệt đối. Trong đó DGPS không chỉ khắc phục được nhiễu cố ý mà còn giảm thiểu được nhiều nguồn sai số liên quan đến vệ tinh như sai số đồng hồ vệ tinh, sai số quỹ đạo, sai số do tầng ion, sai số do tầng đối lưu, nhiễu máy thu và đa đường dẫn 2.2. CÁCPHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 2.2.1. Phương pháp đo tĩnh (Static) Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đápứng yêu cầu công tác trắc địa - địa hình. Trong trường hợp này cần hai máy thu,một máy đặt ở điểm đã biết tọa độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định. Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là một đến hai ba tiếng đồng hồ. Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là ba, nhưng thường được lấy là 4 để đề phòng trường hợp thu tín hiệu gián đoạn. Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị cúa sóng tải và đồng thời có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát.Đây là phương pháp cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ xentimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo kéo dài hàng giờ, do đó năng suất thấp. 2.2.2. Phương pháp đo động (kinematic) Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút. Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu. Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ. Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thởi gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn là một phút.Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này được gọi là máy cố định. Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thứ 2, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong vòng một phút. Việc làm này gọi là khởi đo ( initiazation ), còn máy thứ 2 này được gọi là máy di động. Tiếp đến cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một phút, và cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này.Yêu cầu nhất thiết của phương pháp là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng tín hiệ thu không bị gián đoạn (cycle slip). Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km.Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh. Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh. 2.2.3. Phương pháp đo giả động Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp này không cần thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết. Máy cố định cũng phải thu tín hiệu liên tục trong suốt chu kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5-10 phút.Sau khi đo hết lượt máy di động quay về điểm xuất phát ( điểm đo đầutiên ) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự đó nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ. Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thayđổi đủ để xác định được số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn cách nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương như phépđo tĩnh kéo dài trong một tiếng. Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát.Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong quá trình vận chuyển từ điểm nọ đến điểm kia.Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tương đối nhỏvới số lượng điểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo. 2.3 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG DO GPS 2.3.1. Sai số của đồng hồ Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh ( đồng hồ nguyên tử), đồng hồ trong máy thu ( đồng hồ thạch anh) và sự không đồng bộ giữa chúng. Để giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ của vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như các trạm quan sát. 2.3.2. Sai số của quỹ đạo vệ tinh Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt theo định luật Kepler do đó có nhiều tác động nhiễu như tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút mặt trăng, mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trờiVị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể được xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát được từ trạm đo có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số. 2.3.3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu Tín hiệu vệ tinh được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20200km 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 tỷ lệ nghịch và bình phương với tần số tín hiệu vì thế tạo ra sai số. Sai số này được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số khác nhau. Chính vì vậy để có được độ chính xác cao người ta sử dụng máy thu GPS có hai tần số. Hình 2.8. Sai số do tầng điện ly Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hóa theo các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất, độ ẩm. Để giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu, người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ trở lên so với mặt phẳng chân trời. Hình 2.9. Sai số do tầng ion và tầng đối lưu 2.3.4. Sai số do nhiễu xạ tín hiệu vệ tinh Ăngten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả tín hiệu phản xạ từ mặt đất với môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm giảm sai số này bằng cách hoàn thiện cấu tạo máy thu ăngten. Tổng hợp ảnh của các nguồn sai số chủ yếu cùng các nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát có sai số 13m với xác xuất khoảng 95%. Do vị trí điểm quan sát được phép xác định bởi phép giao hội khoảng cách từ các vệ tinh nên độ chính xác của chúng phụ thuộc vào góc giao hội, tức là phụ thuộc vào đồ hình phân bố của các vệ tinh so với điểm quan sát, ta phải đếm sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số lớn hơn một. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội tức là đồ hình phân bố vệ tinh với điểm quan sát và được gọi là hệ số phân tán độ chính xác DOP. Như vậy, DOP càng nhỏ thì vị trí điểm quan sát được xác định càng chính xác. 2.3.5. Sai số do người đo Việc định vị chủ yếu được thực hiện bởi máy thu nhưng có một số thao tác do người thực hiện. Do đó có thể gây ra sai số như : sai số định tâm, đo chiều cao anten chưa chính xác Độ cao anten của máy thu cũng là một đại lượng tham gia vào các thành phần của vetor cạnh (Base line) trong định vị tương đối. Cho nên khi đo cao anten cần thận trọng đọc số một cách chính xác trên thước đo. Có thể đọc số trên cả thang “met” và thang đơn vị “inch”. Khi máy đang thu tín hiệu, không nên đứng vây xung quanh máy hoặc che ô cho máy. CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU MÁY THU GPS R7 GNSS VÀ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU GPS GIỚI THIỆU MÁY THU GPS R7 GNSS 3.1. Giới thiệu về máy thu GPS R7 GNSS Trong chương này tôi sẽ giới thiệu về máy thu R7 GNSS, đây là thiết bị mới được thiết kế phục vụ cho các ứng dụng đo đạc GPS. Đặc điểm nổi bật của máy thu là truy cập và hoạt động chỉ thông qua một phím bấm duy nhất để đơn giản khi sử dụng, và trên thân máy gắn 5 đèn LED cho phép bạn theo dõi giám sát trạng thái máy thu trong quá trình đo đạc cũng như lượng điện còn lại trong pin nguồn. Máy thu GPS R7 GNSS thu tín hiệu từ vệ tinh GPS trên cả hai tần