ĐO GPS TĨNH VÀ ĐO GPS ĐỘNG

Nguyên lý đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là sử dụng một máy thu GPS để xác định toạ độ của một điểm đặt máy quan sát trong hệ thống toạ độ WGS-84. Thành phần toạ độ có thể là X, Y, Z trong hệ toạ độ vuông góc không gian địa tâm hoặc B, L, H trong hệ toạ độ mặt cầu.

Text Box:







Khi vị trí các vệ tinh trên quỹ đạo đã biết một cách chính xác, chỉ cần máy thu xác định được khoảng cách từ nó tới 3 vệ tinh, ta sẽ xác định được toạ độ của các điểm quan sát theo phương pháp giao hội cạnh.
Tuy nhiên trong công thức tính khoảng cách giả còn chứa một ẩn số chưa xác định là t. Vì vậy để giải bài toán trên, ta cần tối thiểu 4 khoảng cách giả từ máy thu tới 4 vệ tinh để lập được hệ phương trình:
(Xs1 - X)2 + (Ys1 - Y)2 + (Zs1 - Z)2 = (R1 – c.t)2
(Xs2 - X)2 + (Ys2 - Y)2 + (Zs2 - Z)2 = (R2 – c.t)2
(Xs3 - X)2 + (Ys3 - Y)2 + (Zs3 - Z)2 = (R3 – c.t)2
(Xs4 - X)2 + (Ys4 - Y)2 + (Zs4 - Z)2 = (R4 – c.t)2
Trong đó
Xsi ,Ysi ,Zsi là toạ độ địa tâm của vệ tinh thứ i
Ri là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh thứ i
X, Y, Z là toạ độ địa tâm cần xác định của điểm đặt máy.
Với hệ thống GPS như hiện nay, tại một điểm bất kỳ trên mạt đất thường có thể quan sát từ 4 đến 8 vệ tinh, có trường hợp có tới 10 vệ tinh trên bầu trời. Khi đó sử dụng phương pháp số bình phương nhỏ nhất để xử lý số liệu tìm ra toạ độ các điểm và đánh giá độ chính xác kết quả.



Phương pháp đo GPS vi phân
Phương pháp đo GPS tuyệt đối thường cho độ chính xác kém, sai số toạ độ cỡ hàng chục mét. Người ta khắc phục nhược điểm này bằng cách sử đồng thời hai máy thu, định vị theo phương pháp vi phân.








Nội dung của phương pháp đo GPS vi phân như sau:
Một máy cơ sở đặt cố định tại điểm A đã biết toạ độ (XA, YA, ZA), một máy khác di chuyển đến đo tại cần xác định B. Trong quá trình đo 2 máy đồng thời quan sát vệ tinh. Máy cơ sở A đo được giá trị toạ độ tính từ vệ tinh là (XSA, YSA, ZSA) rồi so sánh với giá trị toạ độ đã biết sẽ tìm ra số cải chính (X = XA - XSA, Y = YA - YSA, Z = ZA - ZSA). Lúc này ở vị trí điểm đo B máy thu cũng thu được giá trị toạ độ tính từ vệ tinh (XSB, YSB, ZSB). Nếu khu đo không lớn, có thê coi môi trường trong khu đo là đồng nhất thì số cải chính ở máy cố định A có thể được truyền tới máy di động B để tính cải chính cho điểm đo B. Lúc toạ độ của điểm B sẽ là (XB = XSB +X , YB = YSB + Y, ZB = ZSB +Z).





Text Box:







Nguyên lý đo GPS tương đối
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu đặt ở 2 điểm khác nhau để xác định hiệu toạ độ X, Y,Z hoặc B, L,H của chúng trong hệ toạ độ WGS-84.
Để thu được hệ toạ độ với độ chính xác cao, người ta sử dụng nguyên lý đo hiệu pha sóng tải :
   (1)
Nếu tại 2 điểm quan sát, trong cùng một thời điểm thu tín hiệu của một hoặc hai vệ tinh, sẽ tạo ra được phân sai bậc 1, bậc 2 và bậc 3 của pha sóng tải. Trong các phân sai này sẽ khử bớt ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như : sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu, sai số toạ độ vệ tinh.v.v...
* Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát một vệ tinh p tại cùng một thời điểm ti, ta lập được 2 phương trình dạng (1), suy ra phân sai bậc 1 là :
                     (2)
Trong phân sai bậc 1 này sai số đồng hồ vệ tinh được loại bỏ.
* Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát 2 vệ tinh p và q tại cùng một thời điểm ti, ta lập được phân sai bậc 2 dựa trên cơ sở các phân sai bậc 1 là :
                (3)
Trong phân sai bậc 2 này sai số đồng hồ máy thu được loại bỏ.
* Nếu hai máy thu k và m cùng quan sát 2 vệ tinh p và q tại cùng 2 thời điểm ti và tj  ta lập được phân sai bậc 3 dựa trên cơ sở các phân sai bậc 2 tại 2 thời điểm là :
           (4)
Trong phân sai bậc 3 loại trừ được số nguyên đa trị N để tìm ra khoảng cách đo duy nhất.
Thông thường trong thời điểm quan sát có từ 4 đến 8 vệ tinh cùng xuất hiện trên bầu trời. Bằng cách tổ hợp từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo. Mặt khác khi đo tương đối cần phải quan sát vệ tinh trong khoảng thời gian dài từ nửa giờ đến vài ba giờ. Như vậy số trị đo dùng để xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm là rất lớn, lúc đó ta xử lý số liệu theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất sẽ thu được X, Y,Z có độ chính xác cao, có sai số cỡ centimét thậm trí tới milimét.


Phương pháp đo tĩnh và ưu nhược điểm.
Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác trắc địa địa hình.
Trong trường hợp này cần có hai máy thu GPS, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định. Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường là từ một tiếng đến hai ba tiếng đồng hồ.
Số vệ tinh tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường lấy là 4 để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn.
Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là để đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định kết quả quan sát.
Ưu điểm: Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể đạt cỡ centimét, thậm chí milimét ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilômét.
Nhược điểm: phương pháp đo GPS tĩnh có nhược điểm là thời gian đo kéo dài, do vậy năng suất đo thường không cao.



Phương pháp đo động và ưu nhược điểm.
Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết (hình bên), trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút.
Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu.
Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có toạ độ.
Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp theo sau trong suốt cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này.
Với cạnh đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy (điểm A) và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này được gọi là máy cố định Base. Ở điểm cuối cạnh đáy (điểm B) ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong vòng 1 đến 20 phút, máy này gọi là máy di động Rover. Việc làm này gọi là khởi đo (initialization). Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một phút, và cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này.
 Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo. Vì vậy tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn. Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành khởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo. Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km.
Ưu điểm: Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao, không thua kém so với phương pháp đo tĩnh, thời gian đo một điểm đo ngắn nên đạt hiệu quả kinh tế cao.
Nhược điểm: Phương pháp này đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu vệ tinh.


Các loại sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS

Như ta thấy, việc định vị bằng hệ thống GPS về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội khoảng cách từ các vệ tinh có toạ độ đã biết.
Khoảng cách từ vệ tinh đến điểm xét chỉ có thể được xác định theo thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu vô tuyến giữa chúng. Rõ ràng là kết quả xác định thời gian lan truyền tín hiệu sẽ chịu ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên vệ tinh cũng như trong máy thu, còn tốc độ tín hiệu phụ thuộc vào môi trường lan truyền. Tiếp theo, vị trí của điểm xét chỉ có thể được xác định nếu ta biết toạ độ của các vệ tinh, do vậy độ chính xác của nó phụ thuộc vào sai số toạ độ của vệ tinh.
Một số loại sai số chủ yếu trong kết quả đo GPS như sau :
1. Sai số của đồng hồ
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trong máy thu và sự không đồng bộ giữa chúng.
Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi, do đó nếu phát hiện có sai lệch, trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thông báo số cải chính cho máy thu GPS biết để xử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của vệ tinh và máy thu người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như giữa các trạm quan sát.
2. Sai số của quỹ đạo vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quỹ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định luật kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính không đồng nhất của trọng trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút Mặt trăng, Mặt trời và các thiên thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của của bức xạ Mặt trời,... Vị trí tức thời của vệ tinh chỉ có thể được xác định theo mô hình chuyển động được xây dựng trên cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, và đương nhiên có sai số.
Có hai loại ephemerit của vệ tinh : ephemerit được xác định từ kết quả hậu xử lý số liệu quan sát cho chính các thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ các ephemerit nêu trên cho mấy ngày tiếp theo. Loại ephemerit thứ nhất có độ chính xác ở mức 10 – 50m. và chỉ được cung cấp khi chính phủ Mỹ cho phép, còn loại thứ hai ở mức 20 – 100m và cho phép khách hàng đại trà sử dụng. Sai số vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của điểm quan sát đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả định vị tương đối giữa hai điểm.
3. Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu.
Được phát đi từ vệ ở độ cao 20.200km xuống tới máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế, để đảm bảo định vị với độ chính xác cao, người ta sử dụng các máy thu GPS hai tần số. Song, khi hai điểm quan sát gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu phản xạ do hai tần số kết hợp sẽ lớn hơn so với một tần số, do vậy nên sử dụng máy thu một tần số cho trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn. Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban đêm sẽ nhỏ hơn tới 5 -6 lần so với ban ngày.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mô hình hoá theo các yếu tố khí tượng là : nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối với hai điểm quan sát ở cách nhau không quá vài ba chục km, vì thế sẽ được loại trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát.
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 150 trở lên so với mặt phẳng chân trời.
4. Sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh.
Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tới, mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu phản xạ của tín hiệu vệ tinh. Để làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu không ngừng hoàn thiện cấu tạo của cả máy thu và ăng ten.

Tổng hợp ảnh hưởng các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng các nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến điểm quan sát sẽ có sai số 13m với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ SA thì sai số này sẽ là 50m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ mỗi vệ tinh.





........................     


 Chuyên môn của chúng tôi:

Khảo sát lập bản vẽ phục vụ thiết kế thi công trình công nghiệp và dân dụng, san lấp mặt bằng.
Đo đạc thành lập bản đồ địa hình các loại tỷ lệ, đo vẽ thành lập bình đồ tuyến tính khối lượng san lấp, tính khối lượng đào đắp.
Trắc địa công trình định vị tim trục, bắn tim tuyến, chuyển thiết kế xây dựng công trình ra thực địa.
Trắc đạc kiểm tra việc định vị công trình, trắc đạc định tuyến các công trình...
Đo GPS lập lưới tọa độ bằng công nghệ GPS
- Đo sâu hồi âm đo vẽ bản đồ đáy biển, đo vẽ bản đồ đáy sông bằng công tác thủy đạc
- Đo vẽ mặt cắt đo vẽ trẵc dọc trắc ngang trên cạn và dưới nước.
Quan trắc lún quan trắc biến dạng công trình như quan trắc chuyển vị, quan trắc nghiêng...
Đo vẽ bản đồ  hiện trạng vị trí, hiện trạng cao độ
- Đo vẽ bản đồ địa chính

Đo GPS tại đường Nguyễn Văn Linh, Quận 7, Tp. Hồ Chí Minh

○ Máy móc và trang thiết bị đo đạc
- Máy toàn đạc điện tử Leica, Topcon, Nikon, Pentax
- Máy thủy chuẩn Leica, Topcon
- Máy đo GPS Trimble R3, Trimble 4600, Trimble 5700, Trimble R7
- Máy đo sâu hồi âm đơn tia Odom MKII, MKIII; máy đo sâu hồi âm đa chùm tia MB1

Phần mềm
- Phần mềm bình sai GPS TBC
- Phần mềm bình sai lưới mặt bằng và độ cao Picknet, Pronet, Dpsurvey, Apnet...
- Phần mềm biên vẽ bản đồ Autocad, Microstation, TOPPO, NOVA...
- Phần mềm đo sâu Hydro pro, Hypack

Trân trọng!
..........


Reactions:

0 comments: