Luận văn Công nghệ GPS động và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam

Bộ Giáo dục và Đào tạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất ------------------------- Vũ Tiến Quang Công nghệ GPS động và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam. Chuyên ngành : Trắc địa Mã số : 2.16.00 luận văn thạc sĩ kỹ thuật người hướng dẫn khoa học: TS. Đặng Nam Chinh Hà Nội – năm 2002 id2910865 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - 2 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nội dung đề tài này là những kết qủa nghiên cứu, những ý tưởng khoa học tôi tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện. 3 mục Lục trang Trang phụ bìa 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh mục các bảng 3 Danh mục các hình 5 mở đầu: 6 Chưong 1. Lý thuyết chung về công nghệ GPS 10 1.1 Vài nét về lịch sử phát triển 10 1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 11 1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 16 1.4 Các trị đo GPS 20 1.5 Nguyên lý định vị GPS 24 1.6 Các nguồn sai số trong đo GPS 29 1.7 Những kỹ thuật đo GPS 33 1.8 Toạ độ và hệ quy chiếu 39 Chương 2. Nguyên lý đo GPS động 42 2.1 Nguyên lý chung về đo GPS động 42 2.2 Thiết bị đo GPS động 45 Chương 3. nghiên cứu độ chính xác phương pháp đo GPS động 49 3.1 Đo kiểm định phương pháp đo GPS RTK 50 3.2 Đo kiểm định phương pháp đo GPS PPK 55 Chương 4. bản đồ tỷ lệ lớn 64 4.1 Những khái niệm chung 64 4 4.2 Yêu cầu kỹ thuật của bản đồ tỷ lệ lớn 65 4.3 Quy trình thành lập bản đồ tỷ lệ lớn 66 Chương 5. Qui trình đo và xử lý số liệu đo GPS động 69 5.1 Công tác chẩn bị 69 5.2 Thiết lập trạm đo 70 5.3 Thủ tục khởi đo 73 5.4 Đo đạc tại thực địa 74 5.5 Giao diện thiết bị đo và phần mềm trút số liệu 77 5.6 Xử lý số liệu đo trên các phần mềm chuyên dụng. 78 5.7 Đo GPS RTK trên khu đo thử nghiệm 81 Chương 6. khảnăng ứng dụng phương pháp đo GPS động 85 kết luận và kiến nghị 89 danh mục các công trình của tác giả 90 tài liệu tham khảo 90 phụ Lục 5 danh mục các bảng Bảng 1. 1 Các vệ tinh của hệ thống GPS. Bảng 1. 2 Bảng thống kê nguồn lỗi trong đo GPS và biện pháp khắc phục. Bảng 1. 3 Bảng tổng hợp về các phương pháp đo GPS. Bảng 3. 1 Kết quả đo GPS RTK tại bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4600LS tháng 9-1999. Bảng 3. 2 Kết quả đo GPS RTK tại bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4800 tháng 5-2000. Bảng 3. 3 Sai số tại các điểm quy chuẩn khu đo Hoà Lạc. Bảng 3. 4 Toạ độ và sai số tại các điểm đo kiểm tra khu đo Hoà Lạc. Bảng 3. 5 Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra phương pháp GPS PPK trên bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4600LS tháng 5-2000. Bảng 3. 6 Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra phương pháp GPS PPK trên bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4800 tháng 5-2000. Bảng 3. 7 Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 11607 - khoảng cách 11,27km sử dụng máy thu 4600 LS theo 2 phương án Fixed. Bảng 3. 8 Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 10451 - khoảng cách 10,26km sử dụng máy thu 4800 theo 2 phương án Fixed. Bảng 4. 1 Sai số về toạ độ cho phép với bản đồ địa hình tỷ lệ lớn. Bảng 4. 2 Sai số về độ cao với bản đồ địa hình tỷ lệ lớn. danh mục các hình vẽ Hình 1. 1 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS. Hình 1. 2 Vệ tinh khối II hệ thống GPS. Hình 1. 3 Sơ đồ Đoạn Điều Khiển của hệ thống GPS. Hình 1. 4 Sơ đồ truyền tí hiệu của Đoạn Điều Khiển của hệ thống GPS. Hình 1. 5 Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS. Hình 1. 6 Trị đo pha và số nguyên đa trị. 6 Hình 1. 7 Sơ đồ nguyên lý định vị điểm đơn. Hình 1. 8 Sơ đồ mô tả sai phân bậc một. Hình 1. 9 Sơ đồ mô tả sai phân bậc hai. Hình 2. 1 Máy thu 4800 và các thiết bị đo GPS RTK. Hình 2. 2 Máy thu 4600LSvà hệ thống Radio Link Trimtalk 900. Hình 2. 3 Thiết bị điều khiển TSC1 vr. 7.5. Hình 3. 1 Sơ đồ lưới thử nghiệm đo GPS PPK. Hình 4. 1 Sơ đồ quy trình đo, xử lý số liệu đo GPS RTK. 7 Mở ĐầU Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng các vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc Phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu thập kỷ 70. Ban đầu hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã được thương mại hoá, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội và đặc biệt đối với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả và thuận tiện hơn. Với mục tiêu nghiên cứu một nhánh phát triển mới công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc địa bản đồ, tôi đã đề xuất và được phép tiến hành nghiên cứu đề tài “Công nghệ GPS động và khả năng ứng dụng trong đo công tác vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam”. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống định vị GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau: 1. Có thể xác định toạ độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng. 2. Độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể đo trong mọi điều kiện thời tiết). 3. Việc đo đạc toạ độ các điểm rất nhanh chóng, đạt chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái đất. 4. Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ toạ độ toàn cầu hoặc hệ toạ độ địa phương bất kỳ. 5. Kết quả đo ở dạng file số liệu (digital file) nên dễ dàng nhập vào các phần mềm đo vẽ bản đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu. 8 Với những tính năng ưu việt, ngay từ nhũng năm đầu thập kỷ 90 công nghệ GPS nhanh chóng chiếm lĩnh vị trí quan trọng trong công tác lập lưới khống chế trắc địa ở Việt Nam sử dụng kỹ thuật đo GPS tĩnh. Những năm gần đây, do tiến bộ nhanh về kỹ thuật xử lý số liệu, công nghệ chế tạo thiết bị ngày càng hoàn thiện nên kỹ thuật đo GPS động đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới do phương pháp này những ưu điểm đặc biệt. ở Việt Nam, trong những năm gần đây một số thiết bị đo GPS động đã được nhập và thử nghiệm ở một số cơ quan nghiên cứu. Để có những kết luận khoa học về phương pháp đo GPS động thì việc nghiên cứu ứng dụng trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, đề xuất quy trình công nghệ là việc cần thiết phải tiến hành để có cơ sở triển khai ứng dụng một cách phổ biến ở Việt Nam. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Từ những nghiên cứu chung về hệ thống GPS, những kỹ thuật định vị, đề tài này sẽ nghiên cứu chi tiết các kỹ thuật đo GPS động sử dụng các thiết bị đo GPS động mới được nhập. Kết quả nghiên cứu cần phải xác định được về độ chính xác đạt được của tthiết bị trong điều kiện thực tế của Việt Nam, so sánh với các công nghệ truyền thống để rút ra những kết luận khoa học, từ đó đề xuất quy trình công nghệ áp dụng kỹ thuật đo GPS động cụ thể cho việc áp dụng kỹ thuật đo GPS động ở các cơ sở sản xuất trắc địa bản đồ. ý nghĩa khoa học và thực tiễn Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết, các kết quả thực nghiệm, các công trình sản xuất thực tiễn của đề tài này, tác giả mong muốn thể hiện các vấn đề sau: 1. Công nghệ GPS là công nghệ mới, khác biệt, làm thay đổi hẳn quan niệm về việc đo đạc trong công tác trắc địa bản đồ. 2. Đo GPS động là bước phát triển mới của công nghệ GPS cho phép đo đạc chi tiết bỏ qua công đoạn lập lưới khống chế cơ sở, có độ chính xác đạt 9 yêu cầu kỹ thuật đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, có những tính năng ưu việt so với phương pháp đo vẽ bản đồ truyền thống. 3. Đo GPS động là phương pháp đo đạc khoa học, đáp ứng yêu cầu của công tác tự động hoá đo vẽ bản đồ, phù hợp với việc tổ chức, quản lý số liệu trong các hệ thống quản trị dữ liệu trong máy tính. 4. Đo GPS động kết hợp với các phương pháp đo vẽ truyền thống tạo được hiệu quả kinh tế cao trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn ở Việt Nam. Với những tính năng ưu việt, kỹ thuật đo GPS động là phương pháp mới áp dụng không chỉ tốt trong ngành Địa Chính mà còn với các cơ quan có chức năng khảo sát, đo đạc khác trong các ngành Giao thông, Thuỷ lợi, Xây dụng, Nông nghiệp... Bản luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của tiến sĩ Đặng Nam Chinh khoa Trắc Địa - trường đại học Mỏ - Địa Chất, đồng thời được sự hỗ trợ tích cực của Viện Nghiên Cứu Địa Chính và các đồng nghiệp trong việc tổ chức triển khai nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm tiến sĩ Đặng Nam Chinh, trường đại học Mỏ - Địa Chất, Viện Nghiên Cứu Địa Chính cùng các đồng nghiệp và mong nhận được những ý kiến đóng góp về đề tài. 10 Chương I: lý thuyết chung về công nghệ gps 1.1 vài nét về Lịch sử phát triển Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng Không và Vũ Trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT. Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng. Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System) gọi tắt là GPS . Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu " Block I ". Từ năm 1978 ữ 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (BlockII) 11 bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200 km). Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1995. Cho đến nay đã có 27 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên đạo. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hoá rộng rãi) và một hệ thống tương lai sẽ cạnh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng Đồng Châu Âu. ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, Thượng Nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau đó công nghệ GPS đẫ đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác[4]. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu qủa. 1.2 Cấu trúc hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không 12 gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là Đoạn (Segment): - Đoạn Không Gian (Space Segment), - Đoạn điều khiển (Control Segment), - Đoạn người sử dụng (User Segment). 1.2.1 Đoạn không gian Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các quỹ đạo xác định quanh trái đất. Vệ tinh được đưa vào bay trong 6 mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất, mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh (xem hình 1.1). Quĩ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm (20.200km), chu kỳ 718 phút. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm. Bảng 1.1 thống kê những vệ tinh GPS đã được phóng lên quỹ đạo đến tháng I/ 1997. Bảng 1.1: Các vệ tinh của hệ thống GPS Block Số hiệu vệ tinh Ngày phóng vệ tinh Trạng thái hoạt động I 4 22/02/78 Chết ngày 25/01/80 I 7 13/05/78 Chết ngày 30/07/80 I 6 06/10/78 Chết ngày 19/04/92 I 8 11/12/78 Chết ngày 27/10/86 I 5 09/02/80 Chết ngày 28/11/83 I 9 26/04/80 Chết ngày 10/12/90 I 11 14/07/83 Chết ngày 04/05/93 I 13 13/06/84 Chết ngày 28/02/94 I 12 08/09/84 Chết ngày 18/11/95 I 3 09/10/85 Chết ngày 27/02/94 II 14 14/02/89 Đang hoạt động II 2 10/06/89 Đang hoạt động 13 II 16 17/08/89 Đang hoạt động II 19 21/10/89 Đang hoạt động II 17 11/12/89 Đang hoạt động II 18 24/01/90 Đang hoạt động II 20 25/03/90 Chếtngày 10/05/96 II 21 02/08/90 Đang hoạt động II 15 01/11/90 Đang hoạt động IIA 23 26/11/90 Đang hoạt động IIA 24 03/07/91 Đang hoạt động IIA 25 23/02/92 Đang hoạt động IIA 28 10/04/92 Đang hoạt động IIA 26 07/07/92 Đang hoạt động IIA 27 09/09/92 Đang hoạt động IIA 1 22/11/92 Đang hoạt động IIA 29 18/12/92 Đang hoạt động IIA 22 03/02/93 Đang hoạt động IIA 31 30/03/93 Đang hoạt động IIA 7 13/05/93 Đang hoạt động IIA 9 26/06/93 Đang hoạt động IIA 5 30/08/93 Đang hoạt động IIA 4 26/10/93 Đang hoạt động IIA 6 10/03/94 Đang hoạt động IIA 3 28/03/96 Đang hoạt động IIA 10 15/08/96 Đang hoạt động IIA 30 01/10/96 Đang hoạt động 14 Hình 1.1: Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS Hình 1.2: Vệ tinh GPS khối II 15 I.2.2 Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó 1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station). Trạm chủ đặttại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Spring, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu được từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi. Hình1.3: Sơ đồ Đoạn điều khiển của hệ thống GPS Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi (xem hình 1.4). Hình 1.4. Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển 16 1. 2. 3 Đoạn người sử dụng Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm sử lý tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo... Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten đẳng hướng cuả máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng. Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ. Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa. 1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu là cơ sở cho việc đo đạc với hệ thống GPS. Vậy, tín hiệu GPS có cấu trúc như thế nào ? Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ. Sóng điện từ được dùng cho mục đích đo đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu yêu cầu kỹ thuât khác. Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số và các mã điều biến trên sóng tải. 1.3.1 Tần số cơ bản Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là fo = 10.23 MHz. 17 1.3.2 Các thông tin điều biến Việc sử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt. Máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác định của không gian bao quanh trạm đo, điều đó cho phép tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn. Có 3 loại mã điều biến trên sóng tải đó là : C/A.Code (Coarse Acquisition), P.Code và Y.Code. + C/A Code- mã sơ bộ Mã C/A.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) được phát đi với tần số 1.023 MHz (fo/10). Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000giây. Mỗi vệ tinh được gán 1 mã C/A.Code riêng biệt. Mã C/A.Code chỉ được điều biến trên sóng tải L1. Phương trình giải mã C/A không bảo mật do vậy mã C/A.Code thông dụng trong nhiều máy thu dân sự dùng để dẫn đường và lập bản đồ tỷ lệ nhỏ. + P.Code - mã chính xác P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo = 10.23 MHz. Mã này tạo bởi nhiều chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu này lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn giành riêng cho mục đích vận hành. Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh. P-Code cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc quân sự có độ chính xác cao. 18 + Y.Code Y.Code là mã bảo mật của P.Code. Việc giải mã Y.Code chỉ thuộc về người dùng có thẩm quyền. Vì vậy khi kích hoạt Y.Code thì người dùng sẽ không có khả năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code. Việc sử dụng Y.Code được coi là mã bảo mật (Anti-Spoofing) của người chủ hệ thống GPS. 1.3.3 Các loại sóng tải của hệ thống GPS Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS được điều biến sóng tải có các độ dài bước sóng khác nhau. Đó là các thông tin về thời gian và vị trí của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số tải. - Sóng tải có bước sóng L1~19cm với tần số 54*fo =1575,42 MHz - Sóng tải có bước sóng L2~24,4cm với tần số 120*fo=1227,60 MHz Mã C/A Code chỉ điều biến trên sóng tải L1, Mã chính xác P.Code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2. 1.3.4 Các thông báo vệ tinh Thông báo dẫn đường do vệ tinh phát đi ở tần số thấp 50 Hz, thông báo này chứa dữ liệu về trạng thái của vệ tinh và vị trí của chúng. Máy thu GPS giải mã thông báo để có được vị trí và trạng thái hoạt động của vệ tinh, số liệu đã giải mã này gọi là Ephemeris. Thông báo dẫn đường điều biến trên cả hai tần số sóng tải. Nó chia thành 5 đoạn : Ephemeris, Almanac, mô hình khí quyển, các số hiệu chỉnh đồng hồ, thông báo trạng thái . Thông báo vệ tinh được sử dụng trong chương trình lập lịch đo và tính toán xử lý kết quả đo. Các tham số thông báo trạng thái của vệ tinh bao gồm: 19 1.3.5 Vệ tinh khoẻ hoặc không khoẻ (Healthy or Unhealthy) Các vệ tinh thường phát đi thông báo trạng thái khoẻ hay không khoẻ trong tín hiệu của nó. Máy thu GPS sẽ tránh sử dụng vệ tinh không khoẻ. Thông thường các vệ tinh bị trạm theo dõi coi là không khoẻ vì những lý do sau : -Vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo, lúc đầu còn phải thực hiện các thao tác kiểm tra quỹ đạo vệ tinh và trạng thái đồng hồ, - Vệ tinh đang bảo trì định kỳ chuyển động quỹ đạo, bảo trì đồng hồ. - Vệ tinh đang được kiểm tra chuyên môn, hoặc khi vệ tinh bị điều khiển hoạt động theo cách gây sai số lớn, - Khi vệ tinh đang được sửa chữa những động thái bất thường, hoạt động sai chức năng. Bộ Quốc Phòng Quân Đội Mỹ (DoD - Department of Defence) là người công bố mỗi khi đặt vệ tinh vào trạng thái "không khoẻ". Thông tin này có sẵn qua một số dịch vụ thông báo điện tử, như "Trimble BBS" của hãng Trimble. Trạng thái khoẻ của tất cả các vệ tinh được thông báo trong thông số Almanac do từng vệ tinh phát đi. Số liệu Almanac do DoD cập nhật hàng ngày và được vệ tinh phát đi cách quãng chừng 12.5 phút một lần. 1.3.6 Vệ tinh hoạt động và không hoạt động (Enable or Disable) Trong máy thu GPS tất cả các vệ tinh đều mặc định là hoạt động. Có nghĩa là chúng đều được kể đến trong mọi phép tính ( với điều kiện vệ tinh khoẻ ). Một số máy thu cho tuỳ chọn không kích hoạt vệ tinh khoẻ khiến cho máy thu bỏ qua vệ tinh đó. Hãng Trimble khuyến nghị người dùng kích hoạt sử dụng tất cả các vệ tinh. 20 1.3.7 Độ chính xác dự báo đo khoảng cách (URE) Giá trị URE có trong tín hiệu vệ tinh. Giá trị này dự báo độ chính xác trị đo đến một vệ tinh nhất định. URE của từng vệ tinh có thể xem trên màn hình của máy thu. Vị trí của từng vệ tinh có trong thông tin qũi đạo ephemeris. Do đó, vị trí của anten máy thu được xác định khi biết toạ độ các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu bằng cách tính giao hội nghịch không gian . Như vậy tại một điểm thu tín hiệu vệ tinh bất kỳ trong không gian, toạ độ của điểm được xác định. Đây là điểm hoàn toàn mới so với các nguyên tắc đo đạc truyền thống. Vấn đề giải toạ độ cũng như độ chính xác về toạ độ điểm đo sẽ được đề cập đến trong các phần cụ thể sau. 1. 4 Các trị Đo GPS Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo đạc chia thành 2 nhóm bao gồm: + Nhóm trị đo Code: - C/A.Code, - P.Code. + Nhóm trị đo pha: - L1- Carrier, - L2- Carrier, - Tổ hợp L1/L2. Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách đến từng vệ tinh. 21 1.4.1 Trị đo Code (C/A Code và P.Code) Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát đi từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu lan truyền từ vệ tinh tới náy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh được xác định bằng công thức: D = c.t +ct +  (1.1) trong đó: - c là vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s, - t là thời gian truyền tín hiệu, - t là lượng hiệu chỉnh do sai số sự không đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh, -  là lượng hiệu chỉnh do môi trường. Việc xác định theo trị đo Code có thể diễm tả như hình 1.5. - Thời gian truyền sóng Hình 1.5 : Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS Do chính sách làm giảm độ chính xác định vị của Chính Phủ Mỹ bằng sự tác động nhiễu SA (Selective Availability) làm sai lệch đến các tín hiệu vệ 22 tinh nên với trị đo C/A Code, vị trí điểm đo có độ chính xác 100m, với trị đo P.Code cho độ chính xác vị trí điểm 30m với độ tin cậy 95%[2]. Từ ngày 20/5/2000, chính phủ Mỹ đã bỏ tác động SA đến tín hiệu vệ tinh nên độ chính xác định vị với trị đo Code có thể đạt tới 30m. Với độ chính xác định vị như trên, các trị đo này sử dụng định vị trong việc dẫn đường, đo đạc những đối tượng có độ chính xác thấp. 1. 4. 2 Trị đo pha sóng tải ( phase observable) Sóng tải được phát đi từ vệ tinh có chiều dài bước sóng không đổi (L1~19cm, L2~24,4cm). Nếu gọi  là chiều dài bước sóng thì khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu GPS sẽ là: D=N.  +  trong đó: - N là số nguyên lần bước sóng, -  là phần lẻ bước sóng. Trị đo pha chính là phần lẻ của bước sóng bằng cách đo độ di pha giữa sóng tải thu được và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo được với độ chính xác khoảng cỡ 1% vòng pha tương đương vài mm (hình 1.6). Biểu thức xác định độ di pha : = R+ c( t - T) -  N +  atm +  ( 1.2 ) Trong đó : R = (Xs - Xr) 2 + (Ys - Yr) 2 + (Zs - Zr) 2 - R là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu, - Xs,Ys,Zs là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh, - Xr Yr Zr là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu, - c là tốc độ truyền sóng ( tốc độ ánh sáng), 23 -  t là độ lệch đồng hồ máy thu, - T là độ lệch đồng hồ vệ tinh, -  là bước sóng của sóng tải, - N là số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến anten máy thu, -  atm là sai số do khí quyển, -  là tổ hợp các sai số khác. Giải pháp này cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị đo Code. Khó khăn chính là xác định số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh (số nguyên đa trị N). Một khi máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó nó sẽ đếm số bước sóng trôi qua sau thời điểm đó. Do vậy điều cần thiết duy nhất là tính được số đa trị nguyên ban đầu. Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn-sự cố trượt chu kỳ (Cycle slip) xẩy ra, số nguyên đa trị bị thay đổi, cần phải xác định lại. Sự trượt chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động nhanh hoặc tác động mạnh của tầng ion. Sự trượt chu kỳ phải được loại trừ để xác định số nguyên lần bước sóng tín hiệu GPS trong biểu thức ( 1.3.2 ). Hình 1.6: Trị đo pha và số nguyên đa trị Phần lẻ bước sóng cần đo Số nguyên lần bước sóng Vệ tinh Máy thu 24 Để xác định số nguyên lần bước sóng có nhiều phương pháp: 1. Phương pháp hình học dựa trên sự thay đổi hình học vệ tinh trong khi đo để giải số nguyên lần bước sóng đồng thời với toạ độ anten, 2. So sánh (kết hợp) trị đo pha và trị đo code, 3. Trị đo dải rộng ( hiệu tần số L1 và L2 ) cho bước sóng 86,2cm để xác định số nguyên đa trị nhưng kém chính xác hơn, 4. Sử dụng sai phân bậc 3, 5. Phương pháp hàm số ambiguity và kỹ thuật OTF (On The Fly) xác định nhanh số đa trị trong khi anten di động ngay sau khi bị mất tín hiệu vệ tinh. Phương pháp này được áp dụng với máy hai tần số. 1.5. nguyên lý định vị GPS Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: định vị tuyệt đối và định vị tương đối. 1.5.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn) Khác biệt hẳn so với các phương pháp đo đạc truyền thống, việc định vị một điểm nào đó không cần đến các trị đo góc, cạnh thông thường mà sử dụng các trị đo Code và trị đo pha nêu trên. Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh được xác định và toạ độ của điểm đo được xác định trong hệ toạ độ GPS. Nguyên lý định vị điểm đặt anten máy thu được mô tả như hình 1.7. 25 Hình 1.7: Sơ đồ nguyên định vị điểm đơn 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 1 vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt cầu 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 của 2 mặt cầu trong không gian - đó là 1 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. - 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. 26 Như vậy ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo trong không gian 3 chiều. Biểu thức toán học của việc định vị như sau: D= (Xs - Xr) 2+ (Ys - Yr) 2 + (Zs - Zr) 2 + c( t -  T) +  atm +  (1.3) Trong đó : - D là khoảng đo được từ vệ tinh đến máy thu, - Xs,Ys,Zs là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh, - Xr Yr Zr là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu, - c là tốc độ truyền sóng ( tốc độ ánh sáng), -  t là độ lệch tuyệt đối đồng hồ máy thu, - T là độ lệch tuyệt đối đồng hồ vệ tinh, -  atm là sai số do khí quyển, -  là tổng hợp các sai số khác. Với 1 vệ tinh có thể thành lập được 1 phương trình kiểu (1.3) Với 3 ẩn số Xr Yr Zr là toạ độ điểm cần đo và ẩn số thứ 4 là độ lệch tương đối đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu ( t -  T) thì tại mỗi điểm đo cần thu tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh khoẻ thì toạ độ điểm đo mới xác định được Khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn 4 và só lần thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm đo được giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất. 1.5.2 Định vị tương đối Như ta đã biết, 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 chục mét. Với độ chính xác này không 27 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. 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 và kết quả của phương pháp không phải là toạ độ điểm trong hệ toạ độ GPS mà là véc tơ không gian (Baseline) nối 2 điểm đạt máy thu hay nói chính xác là các thành phần số gia toạ độ X, Y, Z (hoặc B, L, H) của 2 điểm trong hệ toạ độ GPS. Độ chính xác tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong trắc địa. Việc định vị tương đối sử dụng trị đo pha sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao trong định vị tương đối nguời ta tạo ra sai phân. Nguyên tắc của việc này là dựa trên sự đồng ảnh hưởng của các đại lượng, 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. - Sai phân bậc một Ký hiệu hiệu pha sóng tải đo được từ vệ tinh j tại điểm thu r vào thời điểm ti là jr (ti). Khi đó, nếu xét 2 trạm 1 và 2 thu tín hiệu đồng thời vệ tịnh j vào thời điểm ti thì hiệu số: j (ti)= j2 (ti) - j1 (ti) (1.4) gọi là sai phân bậc một đối với vệ tinh j vào thời điểm ti. Trị đo này loại trừ được sai số đồng hồ vệ tinh bởi giá trị này là như nhau . Trị sai phân đơn có thể là hiệu số trị đo của 1 máy thu với 2 vệ tinh; trị đo này loại trừ sai số đồng hồ máy thu. 28 Hình 1.7: Sơ đồ mô tả sai phân bậc một - Sai phân bậc hai Nếu lấy hiệu số 2 sai phân bậc một (2 trạm thu tín hiệu 2 vệ tinh j, k đồng thời) : 2j,k (ti)= k (ti)- j (ti) (1.5) thì (1.5) gọi là sai phân bậc hai vào thời điểm tl. Đây là trị đo chuẩn trong đo GPS tương đối. Với trị đo này sai số vị trí vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, đồng hồ vệ tinh được loại trừ. Hình 1.9: Sơ đồ mô tả sai phân bậc hai 29 - Sai phân bậc ba: Nếu xét 2 trạm tiến hành thu tín hiệu vệ tinh j, k vào thời điểm ti và ti+1 thì hiệu sai phân bậc hai : 3j,k = 2j,k (ti+1) - 2j,k (ti) (1.6) gọi là sai phân bậc ba. Trị đo này không phụ thuộc vào số nguyên lần bước sóng, do vậy được trị đo ứng dụng để sử lý sự trượt chu kỳ. Việc xử lý các trị đo sai phân cho phép xác định các giá trị thành phần của véc tơ không gian nối 2 điểm đặt máy thu với độ chính xác cao (cỡ cm). Bài toán định vị này được áp dụng trong trắc địa phục vụ việc đo lưới khống chế và các công tác đo đạc khác trong hệ thống toạ độ địa phương bất kỳ. 1.6 Các nguồn sai số trong đo GPS Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. 1.6.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh Toạ độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh. Người sử dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ vệ tinh mà theo lịch toạ độ vệ tinh có thể bị sai số. 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 chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt. - Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris) từ Dịch vụ Địa động học GPS Quốc tế (The International GPS Service for Geodynamics-IGS) Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh. Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinh thông báo ( broadcast ephemeris ) của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh. 30 1. 6.2 ảnh hưởng của tầng ion Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau. Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 - 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó. Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion. Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng ion đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion , trị đo giải trừ do đó việc địn vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài. 1.6.3 ảnh hưởng của tầng đối lưu Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tin hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Do vậy số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần số. Chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô. ảnh hưởng chiết suất khô được tạo mô hình và loại trừ, nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại bỏ trong trị đo GPS. Mô hình Hopfield là mô hình tầng đối lưu của khí quyển được áp dụng phổ biến nhất khi xử lý trong đo GPS. 1.6.4. Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất 4 vệ tinh tức là phải có tầm nhìn thông tới các vệ tinh đó. 31 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. Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS. Khi sử dụng trị đo pha cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu. Tuy nhiên có trường hợp ngay cả khi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định vị. Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu GPS. Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu. Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ. 1.6.5 Hiện tượng đa tuyến (Multipath) Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu. Như vậy kết quả đo không đúng. Để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150 . Việc chọn ngưỡng góc cao 150 này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng đa tuyến. Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khả năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng , xe cộ, đường dây điện, mái nhà kim loại... Hầu hết anten GPS gắn bản (mâm anten) dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên. 1.6.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh Ta biết việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu. Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân 32 bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution of Precision). Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu. Chỉ số DOP chia ra các loại : - PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP), - TDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Time DOP), - HDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP), - VDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về cao độ (Vertical DOP), - GDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP). Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian. Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP < 6. 1.6.7 Các sai số do người đo Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi. 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. Ngay cả khi xác định toạ độ phẳng đo chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị 3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại. 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 chính xác cuả máy thu. Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn. 1.6.8 Tâm pha của anten Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện. Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm 33 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 pha trùng với tâm hình học của nó. Tuy nhiên tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh. ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha ở giai đoạn tính xử lý. Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo. các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong bảng 1. 2. Bảng1. 2: Bảng thống kê nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục Nguồn lỗi Biện pháp xử lý 1. Phụ thuộc vệ tinh - Ephemeris Ephemeris chính xác - Đồng hồ vệ tinh Sai phân bậc một - Đồ hình vệ tinh chọn thời gian đo có PDOP < 6 2. Phụ thuộc đường tín hiệu - Tầng ion Dùng máy hai tần số - Tầng đối lưu Lập mô hình - Số đa trị nguyên Xác định đơn trị, sai phân bậc3 - Trượt chu kỳ Tránh vật cản, sai phân bậc3 - Đa tuyến Tránh phản xạ, ngưỡng góc cao 3. Phụ thuộc máy thu - Chiều cao anten Đo 2 lần khi đo độ cao anten - Cấu hình máy thu Chú ý khi lắp đặt - Tâm pha anten Anten chuẩn, đặt quay về 1 hướng - Nhiễu điện tử Tránh bức xạ điện từ (sóng cao tần) - Toạ độ quy chiếu Khống chế chính xác, tin cậy - Chiều dài cạnh Bố trí cạnh ngắn 1.7 Những kỹ thuật đo gps 1.7.1 Đo GPS tuyệt đối 34 Là kỹ thuật xác định toạ độ 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 toạ 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, dùng chủ yếu cho việc dẫn đường, và các mục đích đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh. 1. 7.2 Đo GPS 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 (Baseline). Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tương đối sau: 1. 7.2.1 Đo GPS tĩnh (Static) Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase sóng tải. Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên. Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh, cung cấp trị đo dư và giảm được nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất. Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trẵc địa. 1. 7.2.2 Đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static) 35 Phương pháp này về 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 đa trị nguyên. Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo code. Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn. Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8' ữ30' phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh. Số vệ tinh nhiều hơn 4 bảo đảm trị đo dư với đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số đa trị nguyên và giảm thời gian định vị. Hiện nay các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần số L1 - C/A Code. Hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu 4600 LS (tần số L1) , và 4800 (tần số L1, L2)... 1. 7.2.3. 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 (rover stations) di động đến các điểm cần đo toạ độ thu tín hiệu vệ tinh đồng thời. Đo GPS động là giải pháp nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác đo toạ độ cỡ cm. Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu đo - xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo, người ta chia thành 2 dạng: - Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK - Real Time Kinematic GPS) Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý số liệu gọn nhẹ. Số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác định nhanh nhờ giải pháp khởi đo (Initialization) và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh trong khi di 36 chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo tại các điểm này rất ít chỉ cần 1 trị đo (1 epoch tương đương với 1"- 5" tuỳ theo chế độ lự chọn). Nếu việc theo dõi vệ tinh bị gián đoạn, ví dụ như đi qua dưới vật cản - số nguyên đa trị sẽ bị mất, phải xác định lại. Do phải dùng đến Radio Link truyền số liệu nên tầm hoạt động đo của máy di động bị hạn chế (khoảng 5km). Ngoài việc đo toạ độ điểm, khống chế, chi tiết thực địa phương pháp này còn có tính năng cắm điểm có toạ độ thiết kế trước ra thực địa và dẫn đường có độ chính xác cao. - Đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic GPS) Đây là phương pháp đo sử dụng máy đo giống như phương pháp GPS RTK để đo một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách di chuyển máy thu đến các điểm cần xác định toạ độ. Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link. Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiến hành việc khởi đo xác định số nguyên đa trị bằng cách đo tĩnh trên 1 đoạn thẳng sau đó mới đến đo tại các điểm cần xác định toạ độ với thời gian ngắn - tối thiểu đo 2 trị đo (2 epoch). Trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo máy đo di động cần phải thu tín hiệu liên tục đến tối thiểu 4 vệ tinh. Nếu trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất. Do đó phải khởi đo lại bằng cách: Máy thu quay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới. Tầm hoạt động của máy di động có thể đạt đến 50 km [7]. Với kỹ thuật này máy thu di động có năng suất lao động cao hơn nhiều, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế cấp đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo chi tiết bản đồ địa hình. 1. 7.3 Đo GPS cải chính phân sai (DGPS - Differential GPS) 37 Là phương pháp đo GPS sử dụng kỹ thuật định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code có độ chính xác đo toạ độ 0.5m - 3m. Nội dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (Base station) có toạ độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (Rover station). Trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo so với toạ độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng. Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh và trạm di động phải thu số liệu đồng thời, cùng số vệ tinh. Có hai phương pháp cải chính phân sai : - Cải chính vào cạnh Sử dụng cạnh tính theo trị đo Code của trạm tĩnh tới từng vệ tinh và tìm độ lệch so với khoảng cách thực của nó trên cơ sở toạ độ điểm gốc. Các độ lệch này được dùng để cải chính cho chiều dài cạnh từ điểm cần định vị đến các vệ tinh tương ứng trước khi đưa cạnh vào tính toạ độ cho trạm động. -Cải chính vào toạ độ Cũng tương tự với việc cải chính vào cạnh như trên, ở đây sẽ xác định được độ lệch về toạ độ giữa toạ độ tính được của trạm tĩnh và toạ độ thực của nó do ảnh hưởng của các nguồn sai số. Các độ lệch đó được cải chính tương ứng vào toạ độ của trạm động. Phụ thuộc vào thời điểm cải chính mà người ta chia thành các phương pháp đo cải chính phân sai sau. 1. 7.3.1 Đo DGPS thời gian thực (Real Time DGPS) Với phương pháp này, số cải chính được truyền từ trạm tĩnh tới trạm di động ngay trên thực địa để cải chỉnh cho toạ độ trạm di động và hiển thị kết quả tại thực địa ngay trong khi đo. Để thực hiện được như vậy, thiết bị đo cần có thêm máy phát và thu tín hiệu Radio Link để truyền tín hiệu cải chính. Máy phát Radio Link có thể đặt trên mặt đất hoặc phát qua vệ tinh địa tĩnh. 38 1. 7.3.2 Đo DGPS xử lý sau Cũng tương tự như phương pháp đo DGPS thời gian thực nhưng số liệu cải chính không thực hiện trong quá trình đo mà nhận được sau khi xử lý số liệu trong phòng. Do độ chính xác không cao nên phương pháp DGPS chỉ được sử dụng trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ hoặc các công tác dẫn đường khác. Bảng 1. 3 là bảng tổng hợp mới nhất về các kỹ thuật đo GPS. Bảng 1.3. Bảng tổng hợp về các phương pháp đo GPS. Kiểu đo Số vệ tinh tối thiểu Thời gian đo tối thiểu Độ chính xác đạt được Các đặc trưng khác Đo tĩnh (Static) 4 1 giờ - 1 tần số: 5mm+1ppm - 2 tần số: 5mm+0.5ppm - Máy 1 tần cho đcx tốt nhất 10km - Không hạn chế khoảng cách với máy 2 tấn số. Đo tĩnh nhanh (Fast Static) 4 8'-30' 5-10mm+1ppm phụ thuộc t.g đo Các thủ tục đo như với đo tĩnh. Đo động xử lý lý sau (GPS -PPK) 4 2 trị đo 1cm+1ppm -Khoảng cách tối đa 50km. -Cần khởi đo bằng đo tĩnh nhanh trên cạnh khởi đo. Đo động thời gian 4 1 trị đo 1cm+1ppm -Khoảng cách đo phụ thuộc vào 39 thực(GPS - RTK RadioLink, <10km - Cần khởi đo trên điểm biết toạ độ hoặc đo tĩnh nhamh Đo DGPS xử lý sau (PPK DGPS) 4 2 trị đo - 0.5m với máy thu Everest, Maxwel. với 5VT, PDOP<4 - 1-3m với máy thu khác cùng ĐK - Không cần thu liên tục vệ tinh, không cần Radio truyền sóng. Đo DGPS thời gian thực(RTK DGPS) 4 1 trị đo - 0.2m với máy thu Everest, Maxwel. với 5VT, PDOP<4 - 1-3m với máy thu khác cung ĐK -Cần Radio truyền sóng, không cần thu vệ tinh liên tục Các giá trị ghi trong bảng dựa trên kết quả mới nhất thu được với thiết bị đo của hãng Trimble [7] 1.8 Toạ độ và hệ qui chiếu Hình dạng trái đất theo quan niệm của thuyết đẳng tĩnh thì trái đất là một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái đất quay sẽ có dạng ellipsoid và thế trọng trường trên mặt ellipsoid trái đất sẽ bằng nhau. Điều này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái đất và lực ly tâm do chuyển động quay của nó. Một ellipsoid có hình dạng phù hợp với geoid trái đất phải là ellipsoid phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu . Ellipsoid được chọn làm hệ toạ độ định vị toàn cầu là GRS-80 40 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này được hệ định vị GPS sử dụng gọi là Hệ Trắc Địa Thế Giới 1984 (WGS-84). Hệ toạ độ này dùng ellipsoid địa tâm xác định bởi bán trục lớn a=6378137.0 m và nghịch đảo độ dẹt 1/f = 298.257223563. Ellipsoid trái đất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên của trái đất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái đất. Mỗi hệ toạ độ địa phương đều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản đồ tức là xác định một phương thức biểu thị một điểm trên mặt đất tự nhiên so với mặt quy chiếu đó. Hệ định vị GPS cho toạ độ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu B, L, H hoặc các gia số toạ độ trên trong hệ toạ độ toàn cầu WGS84. Do đó cần phải áp dụng phép tính chuyển toạ độ để chuyển toạ độ từ hệ toạ độ GPS (WGS 84) về hệ toạ độ qui chiếu địa phương. Toạ độ không gian địa phương (3 chiều) còn ở dạng được gọi là hệ thống " 2 + 1". Nghĩa là toạ độ trắc địa B và L xác định độc lập với độ cao h. Do đó bài toán tính chuyển toạ độ GPS B, L H về hệ toạ độ địa phương yêu cầu một dạng tính chuyển toạ độ trong khi đó độ cao lại đòi hỏi dạng tính chuyển hoàn toàn khác. X, Y, Z Việc biến đổi toạ độ WGS 84 về toạ độ địa phương thực hiện qua 3 giai đoạn. 1. Toạ độ vuông góc không gian X,Y,Z hoặc (X, Y, Z) thuộc hệ WGS84 đổi thành toạ độ B, L, H hoặc (B, L, H) thuộc hệ WGS 84 sau đó áp dụng 7 tham số tính chuyển về toạ độ không gian địa phương. 2. Toạ độ không gian địa phương tính đổi thành toạ độ trắc địa. 41 3. Tọa độ trắc địa sau đó tính chuyển đổi thành toạ độ phẳng qua phép chiếu bản đồ. Phép tính chuyển độ cao có sự khác biệt do độ cao xác định trên Elipsoid WGS84 là bề mặt có phương trình toán học còn độ cao sử dụng thực tế lại là độ cao thuỷ chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước biển trung bình - một bề mặt không mô tả được bằng phương trình toán học. Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao ellipsoid WGS84 về độ cao địa phương bằng cộng thêm độ chênh Geoid-Ellipsoid tại điểm đó : H = h +N (1.7) Trong công thức (1.7.1), H là độ cao tính đến mặt Elipsoid - là độ cao có thể đo chính xác được chính xác bằng công nghệ GPS; h là độ cao thuỷ chuẩn, được sử dụng thực tế, N là độ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và Ellipsoid tại điểm đó. Dựa vào số liệu đo trọng lực toàn thế giới người ta đã lập ra mô hình Geoid toàn cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Elipsoid phục vụ cho việc tính độ cao bằng công nghệ GPS. Song do bề mặt Geoid biến đổi phức tạp, số liệu đo trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác định độ cao trong đo GPS còn đang được hoàn thiện thêm để kết quả đạt yêu cầu sử dụng. Nếu có các điểm có độ cao thuỷ chuẩn bao quanh khu đo, có thể áp dụng phép nội suy độ chênh Geoid-Elipsoid. Để thực hiện điều này tại các điểm mốc độ cao cũng tiến hành thu dữ liệu GPS, độ chênh giữa trị số độ cao thuỷ chuẩn và độ cao ellip WGS84 cho quy luật về độ chênh Geoid-Ellipsoid khu đo và được dùng để thay thế hoặc kết hợp với mô hình Geoid chung để nội suy, tính độ cao thuỷ chuẩn từ số liệu GPS. 42 Chương 2. Nguyên lý đo GPS động Công nghệ GPS đã mang lại hiệu quả to lớn trong công tác đo đạc với nhiều kỹ thuật đo GPS khác nhau trên phạm vi toàn thế giới. ở Việt Nam, công nghệ GPS đã được áp dụng và đến nay đã trở thành một công nghệ sản xuất trắc địa quan trọng không thể thiếu, đặc biệt là lĩnh vực lập lưới khống chế. Tuy nhiên cho đến nay với sự phát triển, hoàn thiện về thiết bị đo cũng như phần mềm xử lý số liệu cho phép phát triển những ứng dụng mới. Một trong những ứng dụng mới có thể áp dụng rộng ở Việt Nam đó là công nghệ đo GPS động. Trong phạm vi đề tài này tôi cũng chỉ đề cập đến một loại hình đo GPS động có độ chính xác cao, có khả năng áp dụng cho công tác đo đạc chi tiết bản đồ tỷ lệ lớn đó là đo GPS động sử dụng kỹ thuật định vị tương đối, trong đó chủ yếu đi sâu vào 2 phương pháp đo: đo GPS động thời gian thực (GPS RTK) và đo GPS động xử lý sau (GPS PPK). 2.1 Nguyên lý chung về đo GPS động Đo GPS động là một dạng của phương pháp đo GPS tương đối. Như đã đề cập ở phần 1.6.2 thì đo GPS tương đối là phương pháp xác định hiệu toạ độ trong hệ toạ độ GPS từ điểm cần đo đến điểm gốc có toạ độ đã biết trên cơ sở số liệu thu vệ tinh đồng thời từ 2 máy thu đặt trên 2 điểm đó trong khoảng thời gian nhất định. Toạ độ của điểm cần đo chỉ được xác định trong phòng sau khi xử lý số liệu đo thực địa trên phần mềm xử lý trên máy vi tính. Với kiểu đo như trên gọi là phương pháp đo GPS tương đối, dạng đo tĩnh. Toạ độ điểm cần đo đạt độ chính xác cao 5mm+1ppm. Tuy đạt độ chính xác cao song do thời gian đo cần nhiều (tối thiểu là 1 giờ =240 trị đo) nên các nhà thiết kế đã nghĩ đến giải pháp đo GPS hiệu quả hơn song vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Đo GPS tương đối dạng đo động là giải pháp thoả mãn yêu cầu trên vì thời gian đo ngắn (1-2 trị đo), độ chính xác vẫn đạt 1cm+1ppm [7]. 43 Sự khác nhau cơ bản giữa đo GPS động và đo GPS tĩnh là yếu tố thời gian đo. Tuy độ chính xác thấp hơn một chút nhưng số lượng điểm đo tăng thêm nhiều có khả năng lập được lưới khống chế trong khu đo với thời gian ngắn, hoặc có thể dùng phương pháp để đo đạc lập bản đồ chi tiết đối với khu vực phù hợp. 2.1.1 Giải pháp kỹ thuật trong đo GPS động Để giảm được thời gian đo mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết các nhà thiết kế đã đưa giải pháp kỹ thuật đặc biệt, đó là thủ tục khởi đo (Initialization) và thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ (Site Calibration) - Thủ tục khởi đo Là việc xác định nhanh số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến anten máy thu dựa vào việc thu tín hiệu vệ tinh (trị đo C/A.Code và trị đo Phase) tại 2 máy (trạm tĩnh và trạm động) đồng thời trên 1 đường đáy (Baseline). Khi đã có được số nguyên đa trị thì việc giải toạ độ các điểm đo tiếp theo chỉ cần với số lượng ít trị đo (1-2 trị đo). Đường đáy đã biết ở đây có thể chọn là 2 điểm đã biết toạ độ, có thể là 1 đoạn thẳng có độ dài xác định được định hướng theo hướng Bắc hoặc cũng có thể là 1 đoạn thẳng được đo theo phương pháp tĩnh. Sau khi giải được số nguyên đa trị qua phép khởi đo, việc đo đạc các điểm khác được tiến hành chỉ cần thời gian đo ngắn (chỉ cần thu 1-2 trị đo) nếu cả trạm cố định (Base) và trạm động (Rover) đều duy trì được việc thu liên tục tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh. Toạ độ của các điểm đo được tính với số liệu đo ít do vậy số liệu đo được kiểm tra tại thực địa nếu số liệu thu được trong điều kiện không đảm bảo độ chính xác (PDOP lớn), thiết bị đo sẽ không cho phép đo. Khi mất tín hiệu thu vệ tinh hoặc số lượng vệ tinh ít hơn 4 thì thông tin về số nguyên đa trị bị mất. Việc khởi đo phải được tiến hành lại. 44 Trong giữa những năm 80 và đầu những năm 90, chất lượng thiết bị thu vệ tinh còn thấp nên số nguyên đa trị được xác định phải dựa trên tập hợp số liệu đo đủ lớn - tức là khi đồ hình các vệ tinh đang thu tín hiệu thay đổi đủ mức độ cần thiết nên không thể giải nhanh số nguyên đa trị ngay tại thực địa phục vụ cho đo GPS động. Gần đây khi thiết bị thu, phần mềm xử lý số liệu ngày càng hoàn thiện việc giải số nguyên đa trị rất nhanh, chỉ cần dựa trên sự thay đổi rất nhỏ của đồ hình vệ tinh. - Thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ (Site Calibration) Đo GPS động là một dạng đo GPS tương đối tức là chỉ xác định được số gia toạ độ trong hệ WGS84 của điểm trạm động so với trạm tĩnh. Để sử dụng được kết quả này về hệ toạ độ địa phương cần phải có thông số chuyển đổi. Việc chuyển đổi đó gọi là thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ (Site Calibration). Việc quy chuẩn hệ toạ độ có thể sử dụng một trong 1 cách sau: + Sử dung 7 tham số tính chuyển Để chuyển đổi từ hệ toạ độ GPS (WGS84) về hệ toạ độ địa phương cần có tham số tính chuyển chính xác giữa 2 hệ thống toạ độ. Các tham số đó là: - 3 giá trị về đô lệch gốc toạ độ X, Y, Z., - 3 tham số về góc xoay của 3 trục toạ độ, - 1 tham số là hệ số tỷ lệ. + Sử dụng tập hợp điểm trùng Chọn ít nhất 3 điểm trong khu đo có toạ độ trong hệ toạ độ địa phương để đo trong hệ toạ độ GPS. Trên cơ sở 2 toạ độ trong 2 hệ thống của các điểm trùng sẽ tính được các thông số quan hệ cục bộ giữa 2 hệ thống tại khu đo và từ đó toạ độ của các điểm đo khác sẽ được tính theo các thông số này. 45 2.1.2 Các phương pháp đo GPS động Tuỳ thuộc vào thời điểm xử lý số liệu, phương pháp đo GPS động chia làm phương pháp đo: - Đo GPS động thời gian thực (RTK - Real -Time Kinematic GPS) Phương pháp này cho phép giải được toạ độ điểm đặt máy trạm động ngay tại thực địa nhờ việc xử lý tức thời số liệu thu vệ tinh tại trạm cố định và trạm di động trên bộ xử lý số liệu chuyên dụng đi kèm với trạm động tại thực địa nhưng chỉ cần thu tín hiệu vệ tinh thời gian ngắn ít nhất 1 trị đo (1 Epoch). Nếu khu đo có các điểm có toạ độ trong hệ toạ độ địa phương bất kỳ có thể thực hiện việc đo đạc trong hệ toạ độ địa phương thông qua việc đo quy chuyển hệ thống tọa độ (Calibration). Phương pháp này cần phải có hệ thống truyền số liệu (Radio Link) để truyền liên tục số liệu thu được tại trạm tĩnh đến thiết bị xử lý số liệu tại trạm động. - Phương pháp đo GPS động xử lý sau (PPK- Postprocessing Kinematic GPS) Phương pháp này cho phép thu nhận toạ độ điểm đo có độ chính xác cỡ cm trên cơ sở xử lý số liệu thu vệ tinh tại trạm cố định và trạm di động trên phần mềm xử lý số liệu chuyên dụng sau khi đo thực địa. Thời gian thu tín hiệu vệ tinh ngắn (tối thiểu 2 trị đo). Phương pháp này không cần đến hệ thống Radio Link truyền số liệu. Như vậy việc đo GPS theo giải pháp kỹ thuật đo động sẽ đáp ứng hiệu quả hơn nhiều các dạng công tác đo đạc có số lượng điểm cần đo lớn. Hãng Trimble đã thiết kế một số thiết bị gọn, nhẹ phù hợp để thực hiện các phương pháp đo GPS động. 2.2 Thiết bị đo GPS động Các thiết bị trong phương pháp đo GPS động bao gồm: 46 2.2.1 Máy thu tín hiệu vệ tinh Máy thu phục vụ cho đo GPS động là thiết bị thu tín hiệu vệ tinh phục vụ cho đo tĩnh thông thường nhưng được thiết kế gọn nhẹ, thuận tiện cho việc di chuyển đo đạc tại thực địa. Ngoài chức năng là máy thu vệ tinh có anten trong, bộ nhớ trong, máy thu loại này còn có các cổng kết nối với thiết bị ngoại vi như thiết bị điều khiển (Survey Controller), hệ thống Radio Link truyền số liệu. Hiện nay trên thị trường có các loại máy thu phù hợp cho phương pháp đo GPS động là các kiểu máy thu chuyên dụng sau: - Receiver 4600 LS (máy thu vệ tinh 1 tần số L1 - hình 2. 2) - Receiver 4700 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2), - Receiver 4800 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2 – hình 2. 1), - Receiver 5700 (máy thu vệ tinh 2 tần số L1/L2), Hình 2.1: Máy thu 4800 và các thiết bị ngoại vi đo GPS RTK 47 2.2.2 Hệ thống Radio Link truyền số liệu Để thực hiện việc đo GPS RTK thu được toạ độ tại thực địa cần có thiết bị truyền liên tục số liệu thu vệ tinh từ trạm cố tĩnh đến trạm động động. Công việc này được tiến hành nhờ hệ thống Radio Link bao gồm: - Radio phát số liệu: Là thiết bị phát truyền số liệu được nối với máy thu vệ tinh trạm tĩnh bằng cáp mềm truyền số liệu và phát số liệu thu vệ tinh tại trạm tĩnh đến thiết bị thu số liệu tại trạm động. - Radio thu số liệu: có nhiệm vụ nhập số liệu truyền từ trạm phát và truyền vào thiết bị xử lý số liệu tại trạm động tại thực địa. Thiết bị đồng bộ của bộ đo RTK gồm các máy thu phát Radio Link: - Trimtalk 450, - Trimtalk 450 S - Trimtalk 900 (hình 2. 2) Hình 2. 2: Máy thu 4600LS và hệ thống Radio Link Trimtalk 900 Các máy thu phát Radio Link trên có thể sử dụng cho trạm tĩnh hoặc trạm độngr. Phạm vi thu phát sóng của hệ thống này khoảng 5 km. Nếu thiết 48 lập thêm 1 trạm thu phát trung gian thì tầm hoạt động của máy đo có thể nâng cao tới 10 km. 2.2.3. Thiết bị xử lý số liệu Trong đo GPS RTK số liệu thu vệ tinh được xử lý và cho kết quả tại thực địa nên thiết bị xử lý số liệu cần phải được tiếp cận vị trí điểm đo. Với đặc thù như vậy, thiết bị xử lý số liệu phải gọn nhẹ dễ di chuyển thuận tiện trong thao tác tại thực địa. Thiết bị chuyên dụng đồng bộ mới nhất của bộ đo GPS RTK là thiết bị “Survey Controller TSC1” (hình 2. 3). Thực chất đây là một thiết bị được cài đặt các phần mềm điều khiển, ghi và xử lý số liệu đo. Số liệu đo bao gồm số liệu thu vệ tinh tại trạm đo trạm động và số liệu thu vệ tinh từ trạm tĩnh được truyền đến thông qua bộ truyền số liệu Radio Link. Hình 2.3: Thiết bị điều khiển TSC1 vr7.5 Ngoài các thiết bị chính nêu trên còn các phụ kiện khác như Acquy, cáp truyền số liệu, thanh khởi động, giá máy trạm tĩnh và giá máy trạm động. 49 Chương 3 nghiên cứu độ chính xác phương pháp đo gps động Tuy phương pháp đo GPS đã trở thành một phương pháp có hiệu quả cao, tin cậy, phổ biến trên thế giới nhưng đối với Việt nam, do còn hạn chế về khả năng tài chính nên thực tế công nghệ GPS mới chỉ áp dụng phổ biến cho việc lập lưới khống chế hạng cao. Việc áp dụng công nghệ GPS vào công tác đo đạc chi tiết bản đồ, đo trắc địa công trình còn là vấn đề chưa được phổ biến rộng. Chỉ riêng khái niệm về dùng máy đo GPS để đo vẽ chi tiết địa hình, địa chính (GPS Totalstation) cũng đã là điều chưa dễ hình dung ngay cả đối với nhiững người đã làm quen với việc đo hàng giờ mới đo được ca đo với công nghệ GPS tĩnh. Từ những năm 1997, trong khuôn khổ "Chương Trình Hợp tác Việt nam - Thụy Điển về đổi mới hệ thống Địa Chính (CPLAR)” Viện Nghiên Cứu Địa Chính đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng thiết bị GPS Totalstation. Ban đầu là loại 4600LS kèm theo thiết bị điều khiển TSC1 (Survey Controller TSC1) vr 6.0, 6.5, 7.0 và đến năm 1999 hệ GPS Totalstation mới 2 tần số loại 4700, 4800 với thiết bị điều khiển TSC1 vr 7.5 được nghiên cứu sử dụng. Việc nghiên cứu đã được tiến hành trong công tác đo đạc chi tiết thực tế để có những kết luận khoa học về thiết bị, công nghệ làm cơ sở cho việc triển khai trang bị cho các cơ sở đo đạc trong ngành Địa Chính. Để nghiên cứu sử dụng, đánh giá độ tin cậy của công nghệ mới này cần phải làm các nhiệm vụ sau: 1. Đo kiểm định thiết bị trên các điều kiện chuẩn, 2. Tiến hành sản xuất thử nghiệm sử dụng công nghệ mới. Việc kiểm nghiệm phương pháp đo GPS động đã được tiến hành riêng biệt cho 2 phương pháp đo GPS RTK và PPK GPS. 50 3.1 Đo kiểm định phương pháp gps rtk Về độ chính xác của các phương pháp đo GPS động, hãng chế tạo thiết bị đo, xử lý số liệu GPS Trimble đưa ra các thông số kỹ thuật như sau: - Sai số vị trí các điểm đo đạt độ chính xác 1cm +1ppm[7] cho tất cả các điểm đo trong phạm vi hoạt động. - Khi tiến hành đo trong phạm vi khu đo, độ chính xác điểm đo luôn được kiểm soát, mổi điểm đo đều được đánh giá sai số vị trí điểm so với điểm trạm cố định. Để kiểm nghiên cứu khả năng thực tế trong điều kiện Việt Nam cần phải tiến hành đo kiểm nghiệm trên các bãi chuẩn và các công trình sản xuất thực nghiệm. 3.1.1 Kiểm định phương pháp RTK GPS trên bãi chẩn Bãi kiểm nghiệm Xuân đỉnh là nơi có các khoảng cách chuẩn từ 20m đến 1400m. Thực tế bãi chuẩn này không còn đủ các khoảng cách này. Để kiểm tra độ chính xác thực tế của phương pháp đo, bộ thiết bị đo GPS RTK đã được đo kiểm nghiệm tại đây. Trạm tĩnh được đặt tại đầu đường đáy trong khi trạm động di chuyển đến các mốc còn tồn tại trên đường đáy. Trạm tĩnh cũng như trạm động được định tâm, cân máy tốt để loại trừ ảnh hưởng của sai số này. Để đánh giá sự khác nhau về độ chính xác với thời gian đo khác nhau, tại các điểm toạ độ điểm được đo nhiều lần riêng biệt tương ứng với số trị đo ghi trong bảng. Kết quả đo kiểm tra được tổng hợp trong các bảng 3. 1 sau: 51 Bảng 3.1: Kết quả đo GPS RTK tại bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4600LS (9/1999) điểm TOạ Độ (M) Độ CAO sốtrị KHOảNG CáCH sai c.cao c.cao sai đo x y đo đo chuẩn số đo chuẩn số gốc 2330891.743 506065.558 5.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 p1 2330915.635 506068.078 5.088 2 24.025 24.006 0.018 0.088 0.104 -0.016 p1 2330915.636 506068.073 5.105 3 24.025 24.006 0.019 0.105 0.104 0.001 p1 2330915.638 506068.079 5.103 5 24.028 24.006 0.022 0.103 0.104 -0.001 p1 2330915.639 506068.071 5.102 10 24.028 24.006 0.022 0.102 0.104 -0.002 p1 2330915.640 506068.071 5.115 15 24.029 24.006 0.023 0.115 0.104 0.011 p1 2330915.641 506068.069 5.108 20 24.030 24.006 0.024 0.108 0.104 0.004 p1 2330915.648 506068.067 5.102 30 24.036 24.006 0.030 0.102 0.104 -0.002 p2 2331345.320 506112.936 4.810 1 456.045 456.022 0.023 -0.190 -0.198 0.008 p2 2331345.321 506112.937 4.832 2 456.046 456.022 0.024 -0.168 -0.198 0.030 p2 2331345.322 506112.929 4.824 3 456.046 456.022 0.024 -0.176 -0.198 0.022 p2 2331345.324 506112.927 4.822 5 456.048 456.022 0.026 -0.178 -0.198 0.020 p2 2331345.324 506112.933 4.824 10 456.048 456.022 0.027 -0.176 -0.198 0.022 p2 2331345.326 506112.933 4.822 15 456.050 456.022 0.029 -0.178 -0.198 0.020 p2 2331345.326 506112.930 4.823 30 456.050 456.022 0.028 -0.177 -0.198 0.021 p3 2331798.763 506160.347 4.774 1 911.960 911.951 0.009 -0.226 -0.236 0.010 p3 2331798.763 506160.349 4.773 2 911.960 911.951 0.009 -0.227 -0.236 0.009 p3 2331798.764 506160.345 4.776 3 911.960 911.951 0.009 -0.224 -0.236 0.012 p3 2331798.767 506160.345 4.771 5 911.963 911.951 0.012 -0.229 -0.236 0.007 p3 2331798.767 506160.346 4.778 10 911.963 911.951 0.012 -0.222 -0.236 0.014 p3 2331798.768 506160.349 4.778 15 911.965 911.951 0.014 -0.222 -0.236 0.014 p3 2331798.769 506160.343 4.771 30 911.965 911.951 0.014 -0.229 -0.236 0.007 52 Bảng 3.2: Kết quả đo GPS RTK bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4800 (16/5/2000) đIểm toạ độ độ cao sốtrị k.cách k.c sai c.cao c.cao sai đo x y h đo đo chuẩn số đo chuẩn số gốc 2330188.852 584001.800 5.000 p1 2330212.741 584004.215 5.103 1 24.018 24.006 0.012 0.103 0.104 -0.001 p1 2330212.743 584004.216 5.111 5 24.020 24.006 0.014 0.111 0.104 0.007 p2 2330308.273 584013.716 5.530 1 120.052 120.022 0.030 0.530 0.548 -0.018 p2 2330308.274 584013.719 5.526 5 120.053 120.022 0.031 0.526 0.548 -0.022 p3 2330427.601 584025.607 4.840 1 240.008 239.982 0.026 -0.160 -0.136 -0.024 p3 2330427.605 584025.608 4.834 5 240.012 239.982 0.030 -0.166 -0.136 -0.030 p4 2330642.500 584047.041 4.776 1 456.041 456.022 0.019 -0.224 -0.198 -0.026 p4 2330642.501 584047.038 4.772 5 456.042 456.022 0.020 -0.228 -0.198 -0.030 p5 2331096.040 584092.263 4.743 1 911.973 911.951 0.022 -0.257 -0.236 -0.021 p5 2331096.044 584092.262 4.742 5 911.977 911.951 0.026 -0.258 -0.236 -0.022 p6 2331597.362 584142.271 5.202 1 1415.940 1415.935 0.005 0.202 0.218 -0.016 p6 2331597.370 584142.275 5.205 5 1415.949 1415.935 0.014 0.205 0.218 -0.013 Kết quả đo trên được xử lý bằng phầm mềm Trimble Survey Office. Điểm gốc được giả định toạ độ, độ cao. Tổng hợp kết quả đo cho thấy: - Sai số trung phương đo cạnh : 0.021m với máy 4600 LS 0.022m với máy 4800 - Sai số trung phương đo chênh cao : 0.014m với máy 4600 LS 0.021m với máy 4800. Kết quả trong bảng 4, 5 cho thấy độ chính xác của 2 loại máy đo một và 2 tần số gần như nhau với thời gian đo khác nhau. 53 3.1.2 Kiểm định phương pháp GPS RTK trong sản xuất Việc kiểm định độ chính xác phương pháp GPS RTK trên lưới khống chế cấp cao đã được tiến hành nhiều lần trên các lưới hạng cao ở các công trình sản xuất thử nghiệm của Viện Nghiên Cứu Địa Chính ở Đắc Lắc, Đồng Nai, Xuân Mai, Hoà Lạc .... Nguyên tắc kiểm định ở các công trình này là sau khi tiến hành quy chuẩn hệ toạ độ (Site Calibration) trên ít nhất 3 điểm khống chế hạng cao, sau đó đo toạ độ kiểm tra ở các điểm khống chế hạng cao khác có trong khu đo để đánh giá sai số. Điểm hình là khu đo Hoà Lạc - Hà Tây. Tại đây đã lập lưới khống chế 37 điểm theo phương pháp đo GPS tĩnh có độ chính xác tương đương hạng IV Nhà Nước, độ cao được đo thuỷ chuẩn hình học hạng 4. Việc đo chi tiết bằng công nghệ GPS RTK sử dụng máy thu 4800 được tiến hành sau khi tiến hành quy chuẩn hệ thống toạ độ tại 5 điểm khống chế phân bố đều trên khu đo. Trong quá trình đo chi tiết đã đo kiểm tra tại 6 điểm khống chế hạng cao (không dùng cho quy chuẩn hệ toạ độ). Kết quả đo quy chuẩn cũng như kết quả đo kiểm tra như trong các bảng 3. 3 và bảng 3. 4: Bảng 3.3: Sai số tại các điểm quy chuẩn (Calibration) STT T.ĐIểM X Y H K.CáCH từ đ.gốc 1 DCI-14 0.007 0.019 0.021 0.000 2 DCI-26 0.030 0.019 0.035 1643.956 3 III6435 0.019 0.008 0.020 2670.202 4 DCI-9 0.002 0.009 0.009 2444.203 5 3531 0.016 0.012 0.020 2016.654 54 Bảng 3. 4: Toạ độ và sai số tại các điểm kiểm tra ĐIểM X(ĐO RTK) Y(ĐO RTK) H(ĐO RTK) X(GPS TĩNH) Y(GPS TĩNH) H (T.CHUẩN) DCI-21 2323961.107 473362.828 36.711 2323961.095 473362.827 36.736 DCI-19 2324135.980 472508.035 41.543 2324135.979 472508.032 41.575 DCI-7 2324942.599 474105.187 17.481 2324942.598 474105.193 17.469 DCI-8 2325073.210 473568.877 23.817 2325073.219 473568.879 23.805 DCI-N1 2325275.090 473875.424 23.771 2325275.099 473875.426 23.744 đ.Gốc 2324565.881 473827.860 32.094 bảng sai số tại các điểm đo ĐIểM MX MY MP MH K.CáCH đo DCI-21 -0.012 -0.001 0.012 0.025 762.893 DCI-19 0.001 0.003 0.003 -0.032 1388.075 DCI-7 -0.001 0.006 0.006 -0.012 467.789 DCI-8 0.009 0.002 0.009 -0.012 569.609 DCI-N1 0.009 0.002 0.009 -0.027 710.8021 Trên cơ sở các số liệu đo kiểm tra trên bãi chuẩn và trên điểm khống chế, có thể có những nhận xét về độ chính xác đo theo phương pháp GPS RTK như sau: 1. Sai số đo toạ độ điểm khoảng 2cm không phụ thuộc rõ rệt vào khoảng cách đo trong phạm vi đã đo kiểm tra, 2. Trong phương pháp đo GPS RTK thì số trị đo tăng không ảnh hưởng rõ rệt đến độ chính xác của điểm đo (về mặt phẳng và về độ cao), 3. Không có sự khác nhau về độ chính xác giữa kết quả đo bằng máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số (4800 và 4600), 55 4. Thời gian đo như nhau với 2 loại máy nhưng thời gian khởi đo với máy 2 tần số nhanh hơn rất nhiều, do vậy năng xuất cao hơn nhiều so với máy 1 tần số. 3.2 Đo kiểm định phương pháp gps ppk Về lý thuyết phương pháp GPS PPK có cùng phương pháp xử lý số liệu, cùng độ chính xác như phương pháp GPS RTK chỉ khác về thời điểm xử lý số liệu và thủ tục đo tại thực địa. Song do không cần dùng Radio truyền số liệu nên phương pháp GPS PPK có khả năng đo xa hơn. 3.2.1 Công tác chuẩn bị Để kiểm nghiệm tính năng đo của phương pháp, bãi kiểm nghiệm được bố trí theo tiêu chí như sau: 1. Chọn vị trí trạm Base thuận tiện cho việc thu tốt tín hiệu. 2. Thiết lập trạm đo trong đó Base ở vị trí vừa chọn, còn trạm Rover đến đo tại 2 loại bãi chuẩn cho 2 mục đích: - Bãi chuẩn 1 là các đường đáy trên bãi Xuân Đỉnh cách trạm Base trung bình 7-9 km để kiểm tra khoảng cách và chênh cao tương đối giữa các điểm đo. - Bãi chuẩn 2 là lưới 4 điểm khống chế hạng cao Nhà nước có số hiệu: 11607, 11601, 10451, 11640 là các điểm có toạ độ chuẩn xác, độ cao đo bằng phương pháp thuỷ chuẩn, cách trạm Base từ 3,8 km đến 16,7km để kiểm tra về độ chính xác đo toạ độ, độ cao. Sơ đồ lưới kiểm định như hình 3. 1. 56 Hình 3. 1: Sơ đồ lưới thử nghiệm phương pháp GPS PPK 3.2.2 Đo đạc trên thực địa 3.2.2.1 Xây dựng lưới xác định toạ độ trạm Base Toạ độ trạm Base được xác định bằng lưới GPS tĩnh gồm 6 điểm trong đó có 4 điểm khống chế Nhà nước có số hiệu nêu trên và 2 điểm dùng làm trạm Base: B46 và B48. Thời gian thu tín hiệu vệ tinh tại các điểm đo là 2 h. Lưới được xử lý, bình sai bằng phần mềm GPSURVEY vr 2.35. Mục tiêu của việc này là tạo ra 1 lưới GPS bao gồm điểm làm trạm Base và các điểm kiểm tra chính xác về mặt bằng và độ cao để có chuẩn so sánh với số liệu đo bằng công nghệ GPS PPK 10451 11601 11640 11607 B46, B48 Bãi chuẩn Xuân Đỉnh 57 3.2.22 Đo các điểm trên đường đáy Xuân Đỉnh Việc đo này nhằm mục đích kiểm tra độ chính xác toạ độ điểm đo bằng phương pháp GPS PPK trên cơ sở so sánh các khoảng cách, chênh cao đo tương đối (tính từ toạ độ, có hiệu chỉnh do phép chiếu phẳng) và các khoảng cách, chênh cao chuẩn tương ứng trên đường đáy. Do điều kiện thực tế một số mốc chuẩn không tiếp cận được nên thiếu một số khoảng cách, chênh cao không đo được nê Việc đo tiến hành đồng thời, riêng biệt 2 loại máy thu 4600LS và 4800 với các thiết bị điều khiển TSC1. Mọi thao tác đo tiến hành trên thiết bị điều khiển TSC1. Sau khi đo khởi động tại trạm Base, máy đo (Rover) di chuyển đến các điểm cần đo kiểm nghiệm. Tại mỗi điểm đo 5 lần riêng biệt theo các chế độ thời gian đo khác nhau: 2, 5, 10, 20, 30, 120, 150... trị đo (5" 1 trị đo). Số liệu quả đo được xử lý bằng chương trình Trimble Survey Office. Kết quả được thể hiện trong các bảng 3. 4 bảng 3.5. Bảng 3.5: Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra phương pháp GPS PPK trên bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy thu 4600LS (12/5/2000) ĐIểM sô trị x y h k.c k.c sai c.cao c.cao sai ĐO đo đo chuẩn số đo chuẩn số Gốc 2331178.220 584002.019 6.689 1024 2 2331202.087 584004.420 6.784 23.985 24.006 -0.021 0.095 0.104 -0.009 1020 5 2331202.085 584004.406 6.807 23.982 24.006 -0.024 0.118 0.104 0.014 1023 10 2331202.092 584004.410 6.779 23.989 24.006 -0.017 0.090 0.104 -0.014 1021 20 2331202.092 584004.419 6.760 23.990 24.006 -0.016 0.071 0.104 -0.033 1022 30 2331202.106 584004.443 6.759 24.006 24.006 0.000 0.070 0.104 -0.034 1009 2 2331226.066 584006.786 6.788 48.078 48.061 0.017 0.099 1013 5 2331226.070 584006.834 6.806 48.088 48.061 0.026 0.117 1011 10 2331226.073 584006.804 6.795 48.088 48.061 0.026 0.107 1012 20 2331226.078 584006.826 6.805 48.094 48.061 0.033 0.116 1010 30 2331226.075 584006.819 6.790 48.091 48.061 0.029 0.101 1030 2 2331297.672 584013.905 7.210 120.031 120.022 0.009 0.521 0.548 -0.027 1031 5 2331297.681 584013.927 7.237 120.042 120.022 0.020 0.549 0.548 0.001 58 1033 10 2331297.694 584013.889 7.247 120.052 120.022 0.029 0.558 0.548 0.010 1032 20 2331297.692 584013.908 7.249 120.052 120.022 0.030 0.560 0.548 0.012 1034 30 2331297.690 584013.898 7.258 120.049 120.022 0.026 0.570 0.548 0.022 1039 2 2331417.072 584025.769 6.535 240.009 239.982 0.027 -0.154 -0.136 -0.018 1037 5 2331417.073 584025.803 6.531 240.013 239.982 0.032 -0.158 -0.136 -0.022 1038 10 2331417.068 584025.769 6.524 240.005 239.982 0.023 -0.165 -0.136 -0.029 1036 20 2331417.072 584025.820 6.539 240.014 239.982 0.032 -0.150 -0.136 -0.014 1035 30 2331417.062 584025.828 6.549 240.005 239.982 0.023 -0.140 -0.136 -0.003 1044 2 2331632.028 584047.276 6.467 456.020 456.022 -0.002 -0.222 -0.198 -0.024 1042 5 2331632.044 584047.265 6.489 456.034 456.022 0.013 -0.199 -0.198 -0.001 1041 10 2331632.050 584047.293 6.485 456.043 456.022 0.021 -0.204 -0.198 -0.006 1040 20 2331632.051 584047.272 6.471 456.042 456.022 0.020 -0.218 -0.198 -0.020 1043 30 2331632.058 584047.245 6.469 456.046 456.022 0.024 -0.220 -0.198 -0.022 1046 2 2331918.526 584075.873 6.418 743.916 743.932 -0.016 -0.271 -0.242 -0.029 1047 5 2331918.525 584075.847 6.418 743.913 743.932 -0.020 -0.271 -0.242 -0.029 1048 10 2331918.526 584075.837 6.416 743.912 743.932 -0.020 -0.273 -0.242 -0.031 1049 20 2331918.530 584075.860 6.415 743.919 743.932 -0.014 -0.274 -0.242 -0.032 1050 30 2331918.535 584075.835 6.422 743.922 743.932 -0.011 -0.267 -0.242 -0.025 1052 2 2332085.742 584092.547 6.407 911.946 911.951 -0.005 -0.282 -0.255 -0.027 1054 5 2332085.751 584092.573 6.397 911.958 911.951 0.006 -0.292 -0.255 -0.037 1051 10 2332085.760 584092.537 6.401 911.964 911.951 0.013 -0.288 -0.255 -0.032 1053 20 2332085.771 584092.566 6.401 911.977 911.951 0.026 -0.287 -0.255 -0.032 1055 30 2332085.765 584092.569 6.398 911.971 911.951 0.020 -0.290 -0.255 -0.035 1060 2 2332372.370 584121.117 6.586 1199.970 1199.986 -0.016 -0.102 1059 5 2332372.371 584121.104 6.579 1199.970 1199.986 -0.016 -0.110 1056 10 2332372.401 584121.143 6.537 1200.003 1199.986 0.017 -0.152 1058 20 2332372.405 584121.123 6.532 1200.006 1199.986 0.020 -0.157 1057 30 2332372.410 584121.094 6.531 1200.007 1199.986 0.022 -0.158 Sai số đo cạnh gián tiếp: 0.021m Sai số đo chênh cao gián tiếp: 0.024m 59 Bảng 3.6: Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra phương pháp GPS PPK trên bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy thu 4800 (12/5/2000) s.hiệu số x y h k.c k.c sai c.cao c.cao sai điểm trị đo đo chuẩn số đo chuẩn số Gốc 2331178.050 584001.649 6.925 1016 2 2331201.934 584004.064 7.039 24.004 24.006 -0.002 0.115 0.104 0.011 1017 5 2331201.939 584004.069 7.031 24.010 24.006 0.004 0.106 0.104 0.002 1015 10 2331201.943 584004.063 7.027 24.013 24.006 0.007 0.102 0.104 -0.002 1018 20 2331201.944 584004.072 7.018 24.015 24.006 0.009 0.093 0.104 -0.011 1013 30 2331201.944 584004.063 7.041 24.014 24.006 0.008 0.117 0.104 0.013 1026 2 2331225.881 584006.449 7.098 48.068 48.061 0.006 0.174 1027 5 2331225.889 584006.450 7.089 48.076 48.061 0.015 0.164 1024 10 2331225.891 584006.455 7.099 48.078 48.061 0.016 0.174 1025 20 2331225.892 584006.450 7.110 48.078 48.061 0.017 0.186 1028 30 2331225.892 584006.449 7.093 48.079 48.061 0.017 0.169 1032 2 2331297.491 584013.556 7.507 120.024 120.022 0.001 0.582 0.548 0.034 1030 5 2331297.493 584013.559 7.493 120.026 120.022 0.003 0.569 0.548 0.021 1031 10 2331297.496 584013.556 7.504 120.028 120.022 0.006 0.579 0.548 0.031 1029 20 2331297.498 584013.559 7.488 120.030 120.022 0.008 0.564 0.548 0.016 1033 30 2331297.500 584013.550 7.522 120.032 120.022 0.009 0.597 0.548 0.049 1038 2 2331416.873 584025.463 6.780 239.987 239.982 0.005 -0.145 -0.136 -0.009 1037 5 2331416.879 584025.452 6.776 239.992 239.982 0.011 -0.149 -0.136 -0.013 1036 10 2331416.882 584025.460 6.776 239.996 239.982 0.014 -0.148 -0.136 -0.012 1035 20 2331416.884 584025.464 6.766 239.998 239.982 0.016 -0.159 -0.136 -0.023 1034 30 2331416.894 584025.466 6.772 240.008 239.982 0.026 -0.153 -0.136 -0.017 1040 2 2331631.857 584046.917 6.722 456.020 456.022 -0.002 -0.203 -0.198 -0.005 1043 5 2331631.860 584046.918 6.728 456.023 456.022 0.002 -0.197 -0.198 0.001 1041 10 2331631.861 584046.912 6.724 456.024 456.022 0.002 -0.201 -0.198 -0.003 1039 20 2331631.863 584046.908 6.742 456.025 456.022 0.003 -0.183 -0.198 0.015 1042 30 2331631.864 584046.915 6.731 456.027 456.022 0.005 -0.194 -0.198 0.004 60 1047 2 2331918.351 584075.488 6.708 743.910 743.932 -0.023 -0.216 -0.242 0.026 1044 5 2331918.352 584075.487 6.709 743.911 743.932 -0.022 -0.216 -0.242 0.026 1045 10 2331918.353 584075.485 6.711 743.912 743.932 -0.021 -0.214 -0.242 0.028 1046 20 2331918.354 584075.486 6.705 743.913 743.932 -0.020 -0.220 -0.242 0.023 1046 30 2331918.354 584075.486 6.705 743.913 743.932 -0.020 -0.220 -0.242 0.023 1049 2 2332085.579 584092.169 6.598 911.954 911.951 0.002 -0.327 -0.236 -0.091 1050 5 2332085.580 584092.163 6.662 911.954 911.951 0.003 -0.263 -0.236 -0.027 1052 10 2332085.586 584092.156 6.668 911.959 911.951 0.007 -0.256 -0.236 -0.020 1051 20 2332085.587 584092.161 6.670 911.961 911.951 0.009 -0.255 -0.236 -0.019 1053 30 2332085.588 584092.156 6.663 911.961 911.951 0.010 -0.262 -0.236 -0.026 1054 2 2332372.175 584120.732 6.786 1199.944 1199.986 -0.041 -0.138 1055 5 2332372.186 584120.729 6.815 1199.955 1199.986 -0.031 -0.110 1056 10 2332372.189 584120.729 6.831 1199.957 1199.986 -0.028 -0.094 1057 20 2332372.194 584120.727 6.822 1199.962 1199.986 -0.023 -0.103 1058 30 2332372.196 584120.730 6.805 1199.965 1199.986 -0.021 -0.119 Sai số trung phương đo cạnh gián tiếp: = 0.016m Sai số trung phương đo chênh cao gián tiếp: = 0.026m 3.2.2.3 Đo các điểm trên các điểm khống chế đã biết toạ độ Cũng như đối với việc đo kiểm tra trên đường đáy Xuân đỉnh, tại các điểm khống chế đã biết toạ độ, việc đo đạc tiến hành riêng biệt, sử dung máy thu vệ tinh 4600LS và 4800 với các thiết bị điều khiển TSC1, với lần đo tương ứng với thời gian đo 2, 5, 10, 20, 30 trị đo đồng thời để kiểm tra ảnh hưởng của việc liên kết với điểm gốc, số liệu được xử lý theo 2 phương án: - Liên kết (Fixed) lưới đo với lưới chuẩn thông qua 1 điểm base, - Liên kết (Fixed) lưới đo với lưới chuẩn thông qua 2 điểm (base và 1 điểm khống chế khác). Kết quả đo kiểm tra sử dụng máy 4600LS trong bảng 3. 4 và kết quả đo kiểm tra sử dụng máy 4800 trong bảng 3. 5 61 Bảng 3.7: Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 11607 - khoảng cách 11,27km sử dụng máy thu 4600 LS theo 2 phương án Fixed. shđ sốtrị toa độ s.số s.số s.số ghi đo x y h x y h chú fixED 1 điểm base (B46) B46 2323602.940 586169.476 19.548 đ. Base 15 180 2313586.354 591367.991 6.937 0.364 0.451 -0.028 đo ppk 1071 2 2313586.350 591367.976 6.963 0.360 0.436 -0.002 đo ppk 1072 5 2313586.352 591367.973 6.961 0.362 0.433 -0.004 đo ppk 1073 10 2313586.356 591367.972 6.964 0.365 0.432 -0.001 đo ppk 1074 20 2313586.357 591367.965 6.959 0.367 0.425 -0.006 đo ppk 1075 30 2313586.363 591367.956 6.947 0.373 0.416 -0.018 đo ppk 11607 2313585.990 591367.540 6.965 đ.K.chế MP=0.566m MH=0.010 m fixED 2 điểm: base (B46) và điểm 15 B46 2323602.940 586169.476 19.548 đ. Base 15 180 2313585.990 591367.540 6.965 0.000 0.000 0.000 đo ppk 1071 2 2313586.013 591367.559 6.917 0.023 0.020 -0.048 đo ppk 1072 5 2313586.011 591367.541 6.941 0.021 0.002 -0.024 đo ppk 1073 10 2313586.014 591367.540 6.944 0.024 0.001 -0.021 đo ppk 1074 20 2313586.016 591367.533 6.939 0.026 -0.007 -0.026 đo ppk 1075 30 2313586.021 591367.524 6.927 0.031 -0.015 -0.038 đo ppk 11607 2313585.990 591367.540 6.965 0.000 0.000 0.000 đ.K.chhé MP=0.023m MH=0.026 m 62 Bảng 3.7: Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 110451 - khoảng cách 10,26km sử dụng máy thu 4680 theo 2 phương án Fixed. shđ số toa độ s.số s.số s.số ghi trị đo x y h dx dy dh chú fix ed 1 điểm base (B48) B48 2323601.138 586168.653 19.521 đ. Base 651 96 2332393.340 580876.790 8.709 0.037 -0.010 -0.207 đo ppk 652 2 2332393.344 580876.782 8.684 0.041 -0.018 -0.232 đo ppk 653 5 2332393.340 580876.789 8.681 0.037 -0.011 -0.236 đo ppk 654 10 2332393.348 580876.786 8.688 0.045 -0.014 -0.228 đo ppk 655 20 2332393.352 580876.786 8.701 0.049 -0.014 -0.215 đo ppk 1001 30 2332393.335 580876.795 8.714 0.032 -0.005 -0.203 đo ppk 10451 2332393.303 580876.800 8.916 -0.264 đ.K.ché MP=0.051m MH=0.264 m fixed2 điểm: base B48 và điểm 651 B48 2323601.138 586168.653 19.521 đ. Base 651 96 2332393.303 580876.800 8.916 0.000 0.000 0.000 đo ppk 652 2 2332393.296 580876.782 8.887 -0.007 -0.018 -0.029 đo ppk 653 5 2332393.292 580876.789 8.884 -0.011 -0.011 -0.032 đo ppk 654 10 2332393.300 580876.785 8.891 -0.003 -0.015 -0.025 đo ppk 655 20 2332393.304 580876.786 8.904 0.001 -0.014 -0.012 đo ppk 1001 30 2332393.287 580876.795 8.917 -0.016 -0.005 0.001 đo ppk 10451 2332393.303 580876.800 8.916 đ.K.chế MP=0.016m MH=0.020m Trên cơ sở phân tích hàng loạt kết quả đo GPS PPK trên các bãi chuẩn có thể đưa ra các kết luận sau: 1. Độ chính xác đo toạ độ của phương pháp GPS PPK cũng giống như độ chính xác của phương pháp GPS RTK (khoảng 0.02 m) 2. Quan hệ tương hỗ (khoảng cách và chênh cao) giữa các điểm đo GPS PPK có độ chính xác tương đương như đo trực tiếp dù khoảng cách từ trạm Base đến điểm đo đến 9 km. 63 3. Không có sự khác nhau rõ rệt về độ chính xác khi tăng thời gian đo tại 1 điểm và không có sự khác biệt khi đo ở khoảng cách lớn (đến trên 10km). 4. Độ chính xác thấp nếu các điểm đo không trong vùng khống chế của các điểm hạng cao tham gia vào việc quy chuẩn toạ độ (các điểm dùng làm điểm FIXED). 5. Không có sự khác nhau rõ rệt về độ chính xác khi đo bằng máy đo 1 tần số và 2 tần số; thời gian khởi đo với máy 2 tần số nhanh hơn 6. Xuất hiện một số lần đo không giải được toạ độ chính xác (lời giải Float khi xử lý cạnh) do chất lượng số liệu đo xấu. Do vậy cần đo với số trị đo nhiều hơn số trị đo tối thiểu (tốt hơn cả là đo ít nhất 3 trị đo). 7. Thời gian đo theo phương pháp này lâu hơn nhưng lại đơn giản, thuận tiện hơn vì không dùng đến thiết bị truyền số liệu Radio Link. Với độ chính xác đo toạ độ điểm như trên phương pháp đo GPS động có thể áp dụng cho các công đoạn của quy trình đo đạc bản đồ địa hình, địa chính có yêu cầu độ chính xác cao. Trong các phần sau đây sẽ đề cập cụ thể đến việc áp dụng công nghệ GPS động trong các công trình sản xuất thử nghiệm. 64 Chương 4. Bản đồ tỷ lệ lớn Để thấy rõ được khả năng áp dụng phương pháp đo GPS động trong thành lập bản đồ tỷ lệ lớn, chương này sẽ đề cập chủ yếu đến các vấn đề cơ bản của việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn truyền thống mà phương pháp GPS động có khả năng giải quyết và đáp ứng yêu cầu một cách tốt hơn. 4.1 Những khái niệm chung Tỷ lệ bản đồ là chỉ số cơ bản nói nên mức độ chi tiết việc phản ánh thực địa trong nội dụng bản đồ. Tuỳ theo điều kiện cụ thể từng quốc gia có các quy dịnh cụ thể về phân chia bản đồ theo tỷ lệ. ở Việt nam, bản đồ được chia thành 3 loại tỷ lệ: - Bản đồ tỷ lệ nhỏ : có tỷ lệ từ 1:100.000 trở xuống, - Bản đồ tỷ lệ trung bình: có tỷ lệ từ 1:50.000 đến 1: 10.000, - Bản đồ tỷ lệ lớn: có tỷ lệ từ 1:5000 đến 1:500. Theo quy định trong quy phạm hiện hành bản đồ tỷ lệ lớn là khái niệm chỉ các loại bản đồ có tỷ lệ từ 1:5000 đến 1: 500. Trong số 3 loại bản đồ nói trên thì bản đồ tỷ lệ trung bình, bản đồ tỷ lệ lớn được thành lập trực tiếp hoặc biên tập từ bản đồ tỷ lệ lớn hơn, bản đồ tỷ lệ nhỏ được thành lập bằng phương pháp biên tập từ các bản đồ tỷ lệ lớn hơn. Khác với bản đồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ, bản đồ tỷ lệ lớn được thành lập theo quy mô khu vực có theo nguyên tắc phân mảnh hoặc thậm chí thành lập theo khu vực tự do để đáp ứng nhu cầu sử dụng trực tiếp của các hoạt động kinh tế. Đối với bản đồ tỷ lệ lớn, tuỳ theo yêu cầu thực tế của nhu cầu kinh tế, xã hội mà có thể áp dụng các loại tỷ lệ khác nhau ví dụ cùng phục vụ cho nhiệm vụ quy hoạch, ở khu vực nông thôn có thể thành lập bản đồ tỷ lệ 1:5.000 trong khi ở khu vực thành phố cần thành lập bản đồ tỷ lệ 1:2000. Để làm công tác quản lý đất đai đến hộ dân ở khu vực nông thôn có 65 thể thành lập bản đồ tỷ lệ 1:1000 nhưng ở thành thị lại cần phải thành lập bản đồ đến tỷ lệ 1:500 hoặc thậm chí 1:200. Hiện nay do yêu cầu cấp bách về quản lý đất đai cũng như do yêu cầu to lớn của việc phát triển kinh tế đòi hỏi việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn cần phải có tốc độ cấp sản phẩm nhanh, chất lượng cao và dặc biệt là khối lượng rất lớn trong thời gian ngắn. Ngoài Tổng Cục Địa Chính ra hiện nay rất nhiều ngành khác thực hiện việc thành lập bản đồ tỷ lệ lớn như Nông Nghiêp, Xây dựng, Giao Thông, Thuỷ Lợi... 4.2 Yêu cầu kỹ thuật của bản đồ tỷ lệ lớn Theo quy định trong các quy phạm trước đây và hiện hành có rất nhiều các yêu cầu kỹ thuật cụ thể về bản đồ tỷ lệ lớn song cơ bản nhất là sai số vị trí điểm khống chế và điểm chi tiết thuộc nội dung bản đồ, trong đó: - Yêu cầu về độ chính xác mặt bằng Mọi đối tượng được biểu diễn trên bản đồ theo toạ độ và độ cao của nó. Theo quy phạm 1996 các điểm địa vật cố định vùng bằng phẳng có sai số không quá 0.5mm, vùng núi 0.7mm trong tỷ lệ bản đồ. Với các địa vật quan trọng có sai số không quá 0.4mm trong tỷ lệ bản đồ. Các sai số đó được tính so với cấp khống chế đo vẽ. Sai số của các điểm thuộc lưới khống chế đo vẽ lại được quy định nhỏ hơn 0.2mm trongtỷ lệ bản đồ,.(Chi tiết xem bảng 4.1). Bảng 4.1: Sai số vị trí điểm cho phép voí bản đồ tỷ lệ lớn Tỷ lệ bản đồ Sai số điểm k.c đo vẽ Sai số điểm chi tiết 1:500 0.100m 0.200m 1:1000 0.200m 0.400m 1.2000 0.400m 0.800m 1:5000 1.000m 2.000m 66 - Yêu cầu về độ chính xác độ cao Về độ cao quy phạm quy định sai số độ cao điểm chi tiết nhỏ hơn1/4 khoảng cao đều với vùng bằng phẳng và nhỏ hơn 1/3 khoảng cao đều với vùng địa hình dốc. Như vậy sai số cho phép tương ứng với khoảng cao đều đường đồng khác nhau thể hiện trong bảng 4.2. Bảng 4. 2: Sai số về độ cao cho phép với bản đồ tỷ lệ lớn Khoảng cao đều Vùng bằng phẳng (1/4 đm) Vùng địa hình dốc (1/3 đm) 0.25m 0.06m 0.08m 0.5m 0.12m 0.16m 1.0m 0.25m 0.33m Quy định về sai số cho phép của quy phạm đối với việc đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn là khá rộng khi thiết bị đo đã hiện đại hoá. 4.3 Quy trình kỹ thuật cơ bản thành lập bản đồ tỷ lệ lớn Tuỳ thuộc vào đặc điểm địa hình thực tế mà bản đồ địa hình tỷ lệ lớn có thể thành lập bằng các phương pháp sau: - Phương pháp đo vẽ bằng máy bàn đạc, - Phương pháp đo vẽ bằng máy toàn đạc, - Phương pháp đo vẽ bằng thuỷ chuẩn bề mặt, - Phương pháp đo vẽ bằng mặt cắt, - Phương pháp đo vẽ ảnh hàng không, - Phương pháp đo vẽ ảnh mặt đất, 67 - Phương pháp đo vẽ tổng hợp (đo vẽ dáng đất trên bình đồ ảnh). Dù đo vẽ bản đồ theo phương pháp nào thì quy trình cơ bản cũng vẫn sẽ bao gồm các công đoạn cơ bản sau: - Lập lưới khống chế Lập lưới khống chế là công đoạn đầu tiên cần thực đối với bất kỳ phương án đo vẽ bản đồ truyền thống. Với quy định hiện hành thì trong khu đo vẽ cần phải có ít nhất 4 điểm khống chế mặt bằng các cấp trên 1 km2 ở khu vực thành phố và 1 điểm trên 1 km2 ở khu vực không xây dựng. Như vậy cần phải tiến hành một cách tuần tự hạ cấp từ lưới khống chế cấp cao xuống cấp cuối cùng là lưới khống chế đo vẽ. Phương pháp xây dựng lưới là lưới tam giác, lưới đường chuyền sử dụng máy đo góc chính xác cao, thước thép, mia bala, máy đo dài quang điện hoặc gần đây là máy toàn đạc điện tử, GPS tĩnh .... Đây là công việc quan trọng quyết định đến chất lượng bản đồ sẽ thành lập, nó chiếm tỷ trọng lớn về chi phí thời gian và kinh phí của công trình nếu sử dụng các phương pháp đo truyền thống. - Đo vẽ chi tiết Đo vẽ chi tiết là việc thu thập số liệu thực địa phục vụ cho việc vẽ nội dung bản đồ. Ngoài các phương pháp đo vẽ bản đồ bằng ảnh thì việc thu thập số liệu được tiến hành bằng các phương pháp đo đạc trực tiếp như sau: - Phương pháp đo vẽ bằng máy bàn đạc, - Phương pháp đo vẽ bằng máy toàn đạc, - Phương pháp độ cao bằng máy thuỷ chuẩn. Các phương pháp đo đạc trực tiếp trên là công việc có khối lượng lớn nhất, phức tạp, nặng nhọc tốn kém thời gian, nhân lực và kinh phí khi tiến hành với các thiết bị đo đạc quang học truyền thống. Những năm gần đây với sự xuất hiện của máy toàn đạc điện tử thì công việc này đã được cải thiện 68 đáng kể về độ chính xác và năng xuất lao động song về phương pháp đo đạc về cơ bản là không thay đổi. Có thể nói với các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy phạm hiện hành về độ chính xác thì phương pháp đo GPS động có thể thay thế các thiết bị đo truyền thống sử dụng trong các công đoạn đo đạc lập lưới khống chế và đo vẽ chi tiết bản đồ tỷ lệ lớn. Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp đo GPS động chỉ hiệu quả trong những điều kiện phù hợp. Với các khu vực ẩn khuất thì việc kết hợp phương pháp đo GPS động với các thiết bị đo đạc truyền thống chắc chắn sẽ mang lại hiệu quả cao. Chương 5. Quy trình đo và xử lý số liệu đo GPS động Thực tế trên thế giới có nhiều hãng chế tạo thiết bị đo sử dụng nguồn tín hiệu chung từ hệ thống GPS. Do cùng xuất phát từ 1 nguyên tắc đo, vả lại ở Việt Nam hiện chỉ phổ biến thiết bị của hãng Trimble nên ở đây quy trình công nghệ nêu ra là đối với thiết bị của hãng Trimble - Mỹ. Xuất phát từ nguyên tắc đo đạc và xử lý số liệu, trên cơ sở kinh nghiệm từ thực tế các công trình thử nghiệm có thể đề xuất quy trình công nghệ đo GPS động như sau: 5.1. Công tác chẩn bị Trong giai đoạn này cần phải làm các công tác sau đây: 5.1.1 Chuẩn bị về thiết bị đo 69 Thiết bị đo GPS RTK là hệ thiết bị mới, hoàn thiện, hoạt động ổn định, tin cậy song vẫn phải xem xét trước khi tiến hành đo thực địa. Các vấn đề cần kiểm tra bao gồm: - Tính đầy đủ các thiết bị: trong đó cần kiểm tra xem có đủ máy thu trạm động, trạm tĩnh, sổ điện tử TSC1, cáp nối các thiết bị, acquy, Radio trạm phát, trạm thu, anten, thanh khởi động, chân máy trạm tĩnh, giá máy trạm động. Với bộ do 4800 thì đơn giản hơn; không cần thanh khởi động vì đã được cài đặt kỹ thuật OTF tự khởi động trong khi di chuyển; Radio trạm động được lắp đặt sẵn trong máy thu tín hiệu vệ tinh 4800. 5.1.2 Chuẩn bị về tài liệu khống chế khu đo, khảo sát khu đo Để tiến hành quy chuẩn hệ toạ độ về hệ toạ độ địa phương khu đo cần có ít nhất 3 điểm khống chế hạng cao phân bố đều trong khu đo. toạ độ điểm này cần được thu thập, vị trí của các điểm này cần được xác định sơ bộ trên bản đồ tỷ lệ nhỏ hơn để thiết kế tuyến đo nối. Nếu không có lưới cấp cao hơn thì tốt nhất là tiến hành lập 1 lưới GPS tĩnh bao khu đo để quy chuẩn toạ độ. Cũng có thể dùng 7 tham số tính chuyển từ hệ toạ độ GPS - hệ về hệ toạ độ địa phương đang sử dụng nếu có. Song thực tế ít khi sử dụng cách này mà chủ yếu dùng các điểm khống chế hạng cao để quy chuẩn hệ toạ độ. Việc khảo sát khu là rất quan trọng, nhằm đánh giá, dự kiến về khối lượng có thể đo GPS động, tuyến di chuyển tối ưu phục vụ cho việc đo đạc GPS động một cách hiệu quả. 5.2 Thiết lập trạm đo Vì mọi thao tác đo đạc thực địa đều tiến hành trên thiết bị ghi số liệu điện tử TSC1 nên ở đây ta hiểu việc xác lập trạm đo bao gồm 2 việc: thiết lập vị trí trạm đo trên thực địa và xác lập trạm đo trong sổ ghi điện tử TSC1. 5.2.1 Thiết lập vị trí trạm tĩnh trên thực địa 70 Ta hiểu trạm đo bao gồm 1 trạm tĩnh và các trạm di động. Từ nguyên tắc đo GPS động ta có thể có 2 cách chọn trạm tĩnh: - Chọn trạm tĩnh là điểm khống chế cấp cao nếu điểm đó có tầm quan sát bầu trời thông thoáng, - Chọn trạm tĩnh tại vị trí bất kỳ trong khu đo đảm bảo tầm khống chế khu đo hợp lý nhất, có khả năng thu tín hiệu vệ tinh tốt nhất, tiếp cận được diện tích rộng nhất. Toạ độ của điểm trạm tĩnh này sẽ được tính sau khi tiến hành thủ tục quy chuẩn (Calibration). Thông thường khi đo vẽ tỷ lệ lớn thì với tầm đo 5 km là khá dủ cho việc chỉ sử dụng duy nhất 1 trạm tĩnh có thể đo hết khu đo. Vì vậy cần lưu ý sao cho việc chọn trạm tĩnh có hiệu quả đo cao nhất. 5.2.2 Thiết lập trạm tĩnh trong file đo trong TSC1 Thiết bị TSC1 thực chất là máy vi tính có cấu tạo phù hợp cho việc sử dụng tại thực địa. Ngoài việc chứa số liệu TSC1 còn điều khiển toàn bộ các hoạt động đo đạc tại thực địa. Với các chương trình cài đặt và hiển thị trên màn hình điều khiển, người đo có thể thao tác những bước cần thiết từ khi định dạng chung đến việc đo đạc chi tiết. Những thao tác cần thiết để thiết lập trạm đo bao gồm: 5.2.2.1 Thủ tục lập Job (lập file chứa toàn bộ số liệu về công trình) Nhấn công tắc khởi động máy chờ cho màn hình cơ bản xuất hiện, di chuyển con trỏ đến cửa sổ "File" và nhấn Enter. Màn hình xuất hiện các lựa chọn. Ta đưa con trỏ đến " Job management" - mục quản lý Job và nhấn Enter. Tại đây ngưòi đo sẽ có các lựa chọn : "New" - tạo Job mới; "Copy" - lưu Job thành tên khác; "Delete" - xoá Job không sử dụng; "Undelete" - hồi 71 phục Job đã xoá. Để lập Job mới ta chọn "New" bằng cách nhấn phím tuơng ứng F1 phía dưới. Lúc này ta đánh tên công trình vào ô trống "Name", xong nhấn phím Enter. Tại đây chương trình hỏi về chọn phương pháp quy chuẩn hệ toạ độ. Nếu sử dụng các tham số tính chuyển hệ toạ độ thì chọn"Key in parameters" và đưa vào các tham số tính chuyển; nếu sử dụng điểm hạng cao để quy chuẩn thì chọn "No projection/no datum" và màn hình trở lại màn hình chi tiết của cửa sổ "File". Nhấn Esc để ra màn hình cơ bản. 5.2.2.2 Nhập toạ độ các điểm khống chế Từ màn hình cơ bản chọn "Key in" nhấn Enter sau đó chọn "Point" và nhấn Enter. Màn hình tiếp theo hiện các ô trống để đưa toạ độ và các thông số cần thiết khác của điểm khống chế vào Job: - Point name: nhấn vào số thứ tự điểm (ví dụ 01) - Code: nhấn vào mã điểm (ví dụ DCI-1) - Method: chọn chế độ "Key in coordinates) - North: nhập vào toạ độ X - east: nhập vào toạ độ Y - Elevation: nhập vào độ cao h - Contronl point: Chọn "yes" (trên màn hình sẽ có ký hiệu hình tam giác). Tương tự nhập lần lượt cho đến khi hết các điểm khống chế có trong khu đo và trở về màn hình cơ bản. 5.2.2.3 Chọn kiểu đo Với TSC1 có thể tiến hành đo GPS động ở 3 kiểu đo: - Trimble Fastatic: đo tĩnh nhanh, 72 - Trimble PP Kinematic: đo GPS động xử lý sau (GPS PPK) - Trimble RTK: đo GPS động thời gian thực (GPS RTK) - Trimble RTK&Infill : đo kết hợp GPS RTK và GPS PPK Tuỳ thuộc vào điều kiện thực tế có thể chọn 1 trong 3 cách đo động nêu trên. giả sử chọn GPS RTK nhấn Enter màn hình chuyển sang màn hình tiếp theo với các lựa chọn chính phục vụ cho việc đo đạc thực địa: - Start base receiver - khởỉ động máy thu trạm tĩnh, - Start survey - thủ tục khởi đo, - Measure points - đo chi tiết, - Continous topo - đo chế độ đo liên tục, - offset - các chức năng đo gián tiếp, - Stakeout - cắm điểm có toạ độ ra thực địa, - GPS site calibration - thủ tục quy chuẩn hệ toạ độ, - End survey - kết thúc trạm đo. 5.2.2.4 Khởi động máy thu trạm tĩnh Tại đây ta chọn "Start base receiver' để khởi động trạm tĩnh. Thủ tục khởi động trạm tĩnh như sau: Định tâm, cân máy trên điểm đã chọn, nối máy đo trạm tĩnh với acquy, với bộ truyền tín hiệu Radio và TSC1 qua cáp mềm, đưa con trỏ đến "Start base receiver' và nhấn Enter. Sau khi máy đo trạm tĩnh và TSC1 nối với nhau sẽ xuất hiện màn hình với các ô trống cần phải trả lời, đó là: - Base point: nhấn vào số hiệu điểm khống chế chọn làm base. 73 (Nếu chọn trạm tĩnh là điểm chưa biết toạ độ thì tại đây TSC1 sẽ nhắc đưa vào toạ độ gần đúng của điểm đặt máy bằng cách đưa con trỏ đến "Here" và Enter. - instrument height: nhấn vào chiều cao máy. Sau khi trả lời 2 yếu tố trên nhấn phím "Start" để khởi động trạm tĩnh. Sau động tác này TSC1 sẽ nhắc " Disconnect ....". Lúc này trạm tĩnh bắt đầu thu tín hiệu vệ tinh và phát qua bộ truyền tín hiệu Radio Link. Tháo dây nối TSC1 khỏi máy thu trạm tĩnh và nối sang máy thu trạm động. Đến đây có thể nói thủ tục lập đo trong TSC1 đã hoàn tất và chuyển sang công đoạn tiếp theo. 5.3 Thủ tục khởi đo Khởi đo là một kỹ thuật quan trọng nhất của việc đo GPS động. Bằng thủ tục này TSC1 sẽ xá định nhanh được số nguyên lần bước sóng của từng vệ tinh đến máy thu trạm tĩnh và trạm động. Nếu máy thu trạm tĩnh và trạm động liên tục thu được (khoá được ) tín hiệu của các vệ tinh này thì TSC1 sẽ luôn có được khoảng cách chính xác từ các máy thu đến các vệ tinh và do đó chỉ cần 1 trị đo thôi cũng dủ để tính được toạ độ chính xác của điểm đo khác sau đó. Thủ tục này như sau: Nối TSC1 với máy thu trạm động, đưa con trỏ đến " Start survey" nhấn Enter, màn hình sẽ hiện ra các lựa chọn cho người đo: - Method - chọn phương pháp , cho phép 3 lựa chọn : - New point - khởi động trên 1 đường đáy mới bằng phương pháp đo tĩnh. - Known point - khởi động từ điểm đã biết toạ độ có trong TSC1 và có trên thực địa, 74 - Init bar - khởi động trên thanh khởi động có chiều dài xác định, định hướng theo hướng Bắc từ. - Anten height: cần đưa vào chiều cao anten máy thu trạm động. Sau khi chọn phương pháp khởi đo và nạp chiều cao anten, nhấn phím mềm tương ứng với "Init" và chờ cho đến khi màn hình hiện lên "RTK= Fixed". Đó là lúc số nguyên đa trị của từng vệ tinh thu được đã xác định được và sẵn sàng vào chế độ đo chi tiết. Tất cả các thao tác trên ở mục này ch