Tài liệu Thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS

Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Trang Mục lục ---------------------------------------------------------------------------- 1 Mở đầu ---------------------------------------------------------------------------- 2 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS -- 4 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS ------------------------------------------------- 4 1.2 Các đại lượng đo GPS ------------------------------------------------------ 8 1.3 Các phương pháp định vị GPS ------------------------------------------- 11 1.4 Những nguồn sai số trong đo GPS --------------------------------------- 18 1.5 Các ứng dụng của công nghệ GPS -------------------------------------- 22 Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI KHỐNG CHẾ TRẮC ĐỊA THI CÔNG CÔNG TRÌNH------------------------------------------------------------------------- 24 2.1 Mục đích, đặc điểm và độ chính xác của lưới khống chế trắc địa thi công công trình -------------------------------------------------------------------- 24 2.2 Phương pháp ước tính độ chính xác lưới trắc địa công trình -------------- 26 2.3 Các phương pháp thành lập lưới khống chế mặt bằng trắc địa công trình --------------------------------------------------------------------------- 31 2.4 Lựa chọn hệ toạ độ, mặt chiếu cho lưới trắc địa công trình ---------- 34 2.5 Một số dạng lưới đặc trưng ------------------------------------------------- 37 Chƣơng 3: THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ THI CÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ GPS ---------------------------------------------------------------------------- 41 3.1 Đặc điểm thành lập bằng công nghệ GPS ------------------------------- 41 3.2 Thiết kế kỹ thuật lưới GPS -------------------------------------------------- 42 3.3 Nội dung cơ bản thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS -------------------------------------------------------------------------- 45 3.4 Tính toán thực nghiệm ------------------------------------------------------- 61 Tài liệu tham khảo ---------------------------------------------------------------- 86 SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 1 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa hoc kỹ thuật đặc biệt là sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu Global Positioning System có tên viêt tắt là GPS. Hệ thống này đã mang lại một diện mạo mới cho ngành trắc địa. Hệ thống GPS được xây dựng năm 1973. Trước năm 1980 chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ. Từ năm 1980, chính phủ Mỹ cho phép sử dụng hệ thống này vào mục đích dân sự. Và đến bây giờ GPS đã được sử dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có trắc địa. Sử dụng GPS trong trắc địa có những ưu điểm hơn hẳn với công nghệ đo đạc truyền thống. Đó là khả năng đo nhanh, độ chính xác cao và đo trong mọi điều kiện thời tiết, bất kỳ thời điểm trên phạm vi toàn cầu. Đối với Việt Nam, công nghệ GPS đã có mặt từ những năm 90 của thế kỉ trước, chủ yếu phục vụ xây dựng các mạng lưới quốc gia và các lưới cạnh dài phục vụ đo vẽ bản đồ, hoặc đo nối toạ độ từ đất liền đến các đảo xa, lưới địa chính cơ sở. Trong những năm gần đây, công nghệ GPS bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực của trắc địa công trình. Để thấy rõ được ưu thế vượt trội của GPS so với công nghệ truyền thống tôi đã làm đồ án tốt nghiệp với đề tài sau : “ Thành lập lưới khống chế thi công bằng công nghệ GPS ” Nội dung của đồ án gồm ba chương : Chương 1 : Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS . Chương 2 : Tổng quan về lưới khống chế trắc địa công trình . Chương 3: Ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế thi công. Trong quá trình làm đồ án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn rất nhiệt tình của thầy giáo TS. NGUYỄN QUANG PHÚC và các thầy cô trong Khoa trắc 2 SV: Đỗ Hữu Hùng Lớp : Trắc địa C_K50 Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp địa Trường Đại học Mỏ - Địa chất, cùng các bạn đã giúp tôi hoàn thành tốt cuốn đồ án này. Với thời gian và trình độ có hạn nên bản đồ án không tránh khỏi những hạn chế về nội dung và hình thức. Em rất mong được sự chỉ bảo và góp ý của quý thầy cô và các bạn để bản đồ án được hoàn chỉnh hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Đỗ Hữu Hùng SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 3 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS. Từ năm 1973 hệ thống bắt đầu xây dựng và đến năm 1978 vệ tinh đầu tiên đã được đưa lên quỹ đạo. Năm 1993 đã phóng đủ 24 vệ tinh trên 6 mặt phẳng quỹ đạo như thiết kế. Hệ thống định vị toàn cầu GPS có cấu tạo gồm ba bộ phận chính (gọi là ba đoạn) : Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng. 1.1.1 Đoạn không gian (Space Segment). Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh ( theo thiết kế là 24 vệ tinh, hiện nay có tới 32 vệ tinh) chuyển động trên 6 mặt phẳng quỹ đạo, và được phóng lên độ cao khoảng 20200 Km. Quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn, với chu kì chuyển động quanh trái đất là 718 phút (gần 12 giờ). Các mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất 550. Với cách thiết kế như trên thì tại mọi vị trí trên trái đất, vào mọi thời điểm đều có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh, đây là điều kiện tối thiểu để định vị. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 4 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Hình 1.1 Vệ tinh GPS Hình 1.2 Cấu tạo đoạn không gian Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600Kg khi phóng và 800Kg khi bay trên quỹ đạo. Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 7,5 năm. Năng lượng cung cấp cho vệ tinh hoạt động là các tấm pin mặt trời được gắn ở cánh vệ tinh. Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử có thể đo thời gian với độ chính xác 10-12 giây. Vệ tinh tạo ra tần số dao động chuẩn là f0 =10.23 MHz. Từ tần số chuẩn này, vệ tinh tạo ra 2 tần số sóng tải là L1 có tần số f1 =154f0 = 1575.42 MHz ứng với bước sóng 1 =19.032cm, và L2 có tần số f2= 120f0 =1227.60MHz tương ứng với bước sóng  2 = 24.42cm. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 5 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn với tần số lớn làm nhiệm vụ vận tải tín hiệu vệ tinh có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly vì ảnh hưởng của tầng điện ly tỉ lệ nghịch với bình phương của tần số tín hiệu. Để thực hiện những mục đích khác nhau, các sóng tải lại được điều biến bởi các mã (code) khác nhau như : C/A code, P code hay Y code. C/A code là mã thô / thâu tóm (Coarse/ Acsquisition), được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên (giống như ngẫu nhiên mà không phải là ngẫu nhiên mà do con người sắp xếp) với tần số bằng 1/10 tần số chuẩn (1.023 MHz) và được lặp lại sau mỗi miligiây. Mỗi vệ tinh được gán một mã C/A riêng biệt. C/A code chỉ điều biến sóng tải L1 và dùng cho mục đích dân sự. P-code là mã chính xác (Precise). Mã này được tạo bởi một chuỗi các chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số bằng tần số chuẩn (10.23 MHz). Mã này có chu kì là 267 ngày. Người ta chia mã này thành các đoạn, mỗi đoạn dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh một đoạn, sau mỗi tuần lại đổi lại. Bằng cách này thì P-code rất khó bị giả mã nếu không được phép của Mỹ. P-code điều biến cả sóng tải L1 và L2 và chỉ dùng cho mục đích quân sự của Mỹ. Y-code là mã bí mật, trong điều kiện cần thiết sẽ được phủ lên P-code làm cho P-code càng khó giải mã hơn. Ngoài ra, các vệ tinh còn trao đổi thông tin với các trạm điều khiển qua các tần số 1783.74 MHz và 227.50 MHz để truyền thông tin đạo hàng và nhận các lệnh điều khiển từ trạm điều khiển. 1.1.2. Đoạn điều khiển (Control Segment): Đoạn điều khiển gồm một trạm trung tâm đặt tại căn cứ quân sự của Mỹ ở Colorado Spring và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương ), Diego Garcia (ấn Độ Dương) và SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 6 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Kwajalein (Tây Thái Bình Dương). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất. Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ mọi hoạt động của các vệ tinh. Các trạm này luôn quan sát vệ tinh, đo đạc các số liệu cần thiết như : khoảng cách đến các vệ tinh, các yếu tố khí tượng, các yếu tố nhiễu . Các số liệu này được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý tính ra lịch vệ tinh, các số hiệu chinh đồng hồ vệ tinh. Từ đây, các số liệu được truyền ngược lại các trạm theo dõi, từ trạm theo dõi phát lên vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển. Như vậy các thông tin đạo hàng thường xuyên được chính xác hóa ( đối với GPS là 3 lần / ngày) và được truyền đến người dùng thông qua sóng tải L1 và L2.. Monitor and Control Control Segment Colorado Springs Kwajalein Ascension Islands Hawaii Diego Garcia Master Control Station Monitor Station Ground Antenna Hình 1.3. Sơ đồ bố trí các trạm điều khiển 1.1.3. Đoạn sử dụng (User Segment). SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 7 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Đoạn sử dụng bao gồm tất cả máy móc, thiết bị để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như dẫn đường trên biển, trên bầu trời, trên đất liền và cho công tác Trắc địa. Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng. Nhờ những tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà máy GPS ngày càng được hoàn thiện. Cùng với các loại máy thu người ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu nhận được từ vệ tinh. Hình 1.4. Quan hệ giữa các đoạn trong hệ thống GPS 1.2. CÁC ĐẠI LƢỢNG ĐO GPS Việc định vị bằng công nghệ GPS được dựa trên cơ sở sử dụng hai đại lượng đo cơ bản là khoảng cách giả theo mã (C/A code và P-code) và pha sóng tải (L1 và L2). 1.2.1. Đo khoảng cách giả theo mã (C/A code và P- code) C/A code và P- code là mã tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải, máy thu GPS cũng tạo ra mã tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh mã thu được từ vệ tinh và mã của chính máy thu tạo ra sẽ xác định được khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu và từ đây tính được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 8 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp 1 1 0001 1 1 00 10 11 00 1 Mã do vệ tinh tạo ra 1 1 0001 1 1 00 10 11 00 1 Mã do máy thu thu được 1 1 0001 1 1 00 10 11 00 1 t Mã do máy thu tạo ra t Hình 1.5. Xác định hiệu số giữa các thời điểm Khi đó, khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được xác định theo công thức : R = C . t Trong đó : (1.1) R - khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu C - vận tốc truyền tín hiệu t - thời gian truyền tín hiệu Do đồng hồ trong máy thu là đồng hồ thạch anh có độ chính xác 10-4 nên gây ra sai số đồng hồ máy thu là dT. Đồng hồ trên vệ tinh cũng có sai số dt, do đó sinh ra sai số không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu là  t. Khi đó khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công thức : R =  + C .  t =  + C . ( dt - dT ) (1.2) Trong đó :  là khoảng cách hình học ( khoảng cách thực ) từ vệ tinh đến máy thu Tín hiệu truyền từ vệ tinh đến máy thu qua tầng điên li và tầng đối lưu làm cho tốc độ truyền tín hiệu bị thay đổi gây ra sai số về khoảng cách. Khi đó khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được tính theo công thức : R =  + C . ( dt - dT ) + dion + dTrop Trong đó : SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 (1.3) dion - sai số tầng điên li (ion) 9 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp dTrop- sai số tầng đối lưu (Trop) Do khoảng cách đo được từ vệ tinh đến máy thu có chứa các sai số (sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, do tầng điện li, do tầng đối lưu) nên gọi là khoảng cách có lệch hay gọi là khoảng cách giả. Sai số đồng hồ vệ tinh thường rất nhỏ và thường xuyên được đoạn điều khiển hiệu chỉnh (3lần/ ngày), sai số tầng điện li và tầng đối lưu thì được làm giảm bằng cách dùng các mô hình cải chính. Do đó, trong những trường hợp yêu cầu độ chính xác không cao lắm công thức biểu diễn khoảng cách giả được viết như sau : R =  - C . dT (1.4) 1.2.2. Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải Các sóng tải L1 , L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Gọi  (t) là pha phát đi từ vệ tinh ở thời điểm t ,  (T) là pha truyền đến máy thu ở thời điểm T. Hiệu pha sẽ được xác định theo công thức :  (T-t) =  (t) -  (T) (1.5) T-t chính là khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu. Ta lập được phương trình về thời gian như sau : T - t = dt - dT + 1 (  - dion + dTrop ) C (1.6) Lại có quan hệ giữa hiệu pha và tần số  (T-t) = -f. ( T- t) (1.7) Từ (1.5) và (1.6) ta có :  = [ f .  + f.(dt - dT) - f (-dion +dTrop )] C C (1.8) Đây là phương trình trị đo pha sóng tải, dấu trừ thể hiện sự chậm pha . SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 10 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Ta biết rằng hiệu pha gồm phần chẵn chu kì N (số nguyên đa trị xác định được khi đo) và phần lẻ pha  . Do đó hiệu pha trong công thức (1.8) được biểu diễn : = N +  (1.9) Kết hợp (1.8) và (1.9) ta có :  =  - f( dt - dT ) - f (-dion + dTrop) - N C (1.10) Nhân hai vế của (1.10) với -  = - C/f ta có phương trình trị đo pha theo đơn vị dài :  =  + C (dt - dT) +  .N - dion + dTrop (1.11) Trong trị đo pha còn chứa sai số do đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, tầng điện li, tầng đối lưu và số nguyên đa trị N. Các sai số này sẽ được loại trừ hoặc làm giảm khi lập hiệu các trị đo pha. 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ GPS ( phƣơng pháp đo ). Trong đo đạc GPS có hai phương pháp định vị cơ bản là phương pháp định vi tuyệt đối (absolute) và phương pháp định vị tương đối (relative). 1.3.1. Phƣơng pháp định tuyệt đối . 1.3.1.1. Nguyên lí định vị tuyệt đối . Định vị tuyệt đối là nguyên lí sử dụng ít nhất một máy thu, thu tín hiệu vệ tinh, xác định ra tọa độ tương đối (B,L,H hoặc X,Y,Z) trong hệ tọa độ WGS-84. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 11 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Hình 1.6 Định vị GPS tuyệt đối Nguyên lí định vị tuyệt đối dựa trên việc đo các khoảng cách giả từ các vệ tinh đến máy thu. Khoảng cách giả R từ các vệ tinh đến máy thu được biểu diễn theo công thức : Ri =  i - C.dT (1.12) Ta cần xác định chính xác tọa độ của điểm đặt máy (chính xác là tâm anten): Gọi : XP , YP , ZP là tọa độ của điểm P cần xác định (điểm đặt máy) Xi , Yi , Zi là tọa độ của vệ tinh thứ i (nhận được từ lịch vệ tinh) Ta sẽ có khoảng cách hình học từ vệ tinh đến máy thu được tính bằng công thức : i= ( X i  X P ) 2  (Yi  YP ) 2  (Z i  Z P ) 2 (1.13) Thay (1.13) vào (1.12) ta được : Ri = ( X i  X P ) 2  (Yi  YP ) 2  (Z i  Z P ) 2 - C.dT (1.14) Ta thấy trong phương trình (1.14) có 4 ẩn số là: tọa độ điểm đặt máy XP ,YP , Zp và sai số đồng máy thu dT. Để giải được 4 ẩn số này ta có ít nhất 4 phương trình như (1.14), nghĩa là ta phải quan sát được ít nhất 4 vệ tinh. Nếu quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4, thì bài toán này được giải theo nguyên lí số bình phương nhỏ nhất. Khi đó ta có phương trình số hiệu chỉnh như sau : SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 12 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa vi = - Đồ án tốt nghiệp 0 (Xi  X P )  i0 dX - (Yi  YP0 )  i0 dY - 0 (Z i  Z P )  i0 dZ - C.dT + li (1.15) 0 0 Trong đó : X P , YP0 , Z P là tọa độ gần đúng của điểm P dX, dY, dZ là số hiệu chỉnh tọa độ i = 1, 2, 3...n (n> 4)  i0 là khoảng cách hình học gần đúng từ vệ tinh đến máy thu li là số hạng tự do được tính theo công thức: li = ( X i  X P ) 2  (Yi  YP ) 2  (Z i  Z P ) 2 - Ri (1.16) Từ các phương trình số hiệu chỉnh ta lập được ma trận hệ số các phương trình số hiệu chỉnh A: A= 0 (X1  X P )  10  (X  X 0 )  2 0 P 2  ..........  0 (X n  X P )  0 n  (Y1  YP0 )  0 1 0 (Z1  Z P ) C    0 (Z 2  Z P ) C   0 2  ...  ............  0 (Z n  Z P ) C  0  n  0 1 (Y2  YP0 ) 0 2 ............ (Yn  YP0 ) 0 n Ma trận ẩn số X và ma trận số hạng tự do L như sau : l1  l  L =  2 ...   l n  dX  dY  ; X =  dZ    dT  Từ trên ta có hệ phương trình số hiệu chỉnh dạng ma trận như sau: V= SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 A.X + L 13 (1.17) Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Coi các trị đo khoảng cách giả có độ chính xác như nhau (có cùng trọng số), ta có hệ phương trình chuẩn : (AT.A).X + (AT.L) = 0 (1.18) Giải hệ phương trình trên ta được : X = -(AT.A)-1 . (AT.L) (1.19) Nghĩa là ta đã xác định được dX, dY, dZ, dT. Tọa độ điểm đặt máy P sẽ được tính bằng công thức : 0 XP = X P + dX YP = YP0 + dY (1.20) 0 ZP = Z P + Dz 0 0 Bài toán này được giải lặp nhiều lần, lúc đầu lấy X P = YP0 = Z P = 0 , giải lặp khoảng 5 lần sẽ nhận được tọa độ chính xác. Hiện nay phương pháp định vị GPS tuyệt đối đạt được độ chính xác cỡ  3m đến  10m khi định vị điểm đơn với thời gian ngắn. Để nâng cao độ chính xác hơn nữa các nhà nghiên cứu đã đưa ra phương pháp định vị vi phân. 1.3.1.2. Định vi phân Theo phương pháp này, một máy thu GPS đặt tại điểm A đã biết tọa độ chính xác trong hệ tọa độ WGS-84 (XA, YA, ZA), gọi là trạm chủ. Các máy thu GPS khác đặt tại các điểm P cần xác định tọa độ, gọi là trạm phụ (trạm này có thể cố định hoặc di chuyển). Cả trạm chủ và trạm phụ đồng thời thu tín hiệu vệ tinh và định vị theo nguyên lí định vị tuyệt đối. Tại điểm A ta xác định được tọa độ X’A, Y’A, Z’A. Tại điểm P ta xác định được tọa độ X’P , Y’P , Z’P . SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 14 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Do có sai số nên tọa độ điểm A đo được khác với tọa độ điểm A có trước, sai số này được tính như sau: ' X  X A  X A  ' Y  Y A  YA  ' Z  Z A  Z A (1.21) Coi các sai số ảnh hưởng đến điểm A và điểm P là như nhau. Như vậy, tọa độ điểm P cũng được hiệu chỉnh một lượng là X , Y , Z . Ta được tọa độ điểm P chính xác hơn: '  X P  X P  X  ' YP  YP  Y  ' Z P  Z P  Z (1.22) X , Y , Z được gọi là các số hiệu chỉnh vị trí và được trạm chủ phát đi đến các trạm phụ bằng sóng radio, trạm phụ thu được các số hiệu chỉnh này và hiệu chỉnh vào kết quả đo của mình, được kết quả chính xác hơn. Phương pháp đo GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động: - Phương pháp xử lý đồng thời (Real time) - Phương pháp hậu xử lý (Post-procesing) Để đảm bảo độ chính xác, các máy di động không nên đặt quá xa máy cố định, để đảm bảo giá trị nhiễu là như nhau. Đồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải xác định và chuyển phát nhanh với tần suất cao. Độ chính xác của phương pháp này đạt tới mét thậm chí vài đêximet. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 15 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Hình 1.7 Định vị vi phân 1.3.2. Phƣơng pháp định vị tƣơng đối . 1.3.2.1. Nguyên lí định vị tương đối . Phương pháp định vị tương đối được áp dụng để xác định tọa độ của các điểm so với một điểm khác dựa trên thành phần của các vectơ cạnh (Baseline) giữa chúng, bằng cách sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau, để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X , Y , Z ) hoặc hiệu tọa độ mặt cầu ( B , L , H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84. Nguyên lí định vị tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng trị đo pha sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải để làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số như : sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu, lịch vệ tinh, số nguyên đa trị ... SV: Đỗ Hữu Hùng Hình 1.8 Định vị16 GPS tương đối Lớp : Trắc địa C_K50 Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Định vị GPS tương đối được chia làm ba phương pháp đo cơ bản là : phương pháp định vị tương đối trạng thái tĩnh, phương pháp định vị tương đối trạng thái động và phương pháp định vị giả động. 1.3.2.2. Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static) . Định vị tương đối trạng thái tĩnh (Static Relative Positioning) gọi tắt là định vị tĩnh (Static) là phương pháp định vị thực hiện theo nguyên lí định vị tương đối. Hai máy thu đặt cố định và đồng thời quan sát cùng số vệ tinh chung trong thời gian dài từ vài trục phút đến vài giờ, thậm trí vài ngày. Định vị tĩnh có độ chính xác cao, sai số tương đối đo cạnh có thể đạt cỡ 10-6 đến 10-9 trên chiều dài cỡ hàng nghìn km. Định vị tương đối trạng thái tĩnh chủ yếu được ứng dụng để xây dựng lưới khống chế. * Đo tĩnh nhanh (fast static) Là phương pháp đo có nguyên lí giống đo tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn (vài phút đến vài trục phút). Đo tĩnh nhanh có độ chính xác kém hơn đo tĩnh, thường được dùng vào các công việc có độ chính xác không cao lắm. 1.3.2.3. Định vị tương đối trạng thái động (Kinematic) . Là phương pháp định vị thực hiện theo nguyên lí định vị tương đối, sử dụng ít nhất hai máy thu, một máy đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ gọi là trạm Base liên tục thu tín hiệu vệ tinh, một máy vừa Hình 1.9. Phương pháp đo động di chuyển vừa thu tín hiệu vệ tinh gọi là trạm Rover. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 17 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Kết quả định vị trạng thái động cho ta tọa độ tương đối giữa điểm trạm Base và nhiều điểm trạm Rover. Độ chính xác của phương pháp định vị động kém hơn phương pháp định vị tĩnh và định vị tĩnh nhanh, thường được dùng vào việc đo thành lập bản đồ hoặc những việc có độ chính xác tương tự. 1.3.2.4. Phương pháp định vị giả động. Phương pháp định vị giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp định vị động. Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết. Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kì đo. Sau khi đo hết lượt, máy di động được đưa trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm là từ một giờ đồng hồ trở lên. Chính trong khoảng thời gian này, đồ hình phân bố vệ tinh đã thay đổi, đủ để xác định được số nguyên đa tri. Còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài từ 5 đến 10 phút, và dãn cách nhau một tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng. Yêu cầu cần thiết của phương pháp này là phải có được ít nhất ba vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát. Điều đáng chú ý của phương pháp này là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu liên tục từ vệ tinh trong suốt chu kì đo, mà chỉ cần thu trong vòng 5 đến 10 mười phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận chuyển từ điểm nọ sang điểm kia. Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất. Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên chọn và bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 18 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp có thể đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo như đã nêu trên. 1.4 CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐO GPS. Cũng như bất kì một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. 1.4.1. Những nguồn sai số liên quan đến vệ tinh. 1.4.1.1. Sai số lịch vệ tinh. Sai số lịch vệ tinh là sai lệch giữa vị trí của vệ tinh do lịch thông báo và vị trí thực của nó. Lịch vệ tinh do đoạn điều khiển quan sát vệ tinh mà tính ra ở thời điểm t và ngoại suy ở thời điểm t +  t. Do đó độ lớn của sai số lịch vệ tinh phụ thuộc vào chất lượng của các trạm theo dõi vệ tinh (số lượng và sự phân bố các trạm theo dõi), số lượng quan trắc và độ chính xác quan trắc phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của mô hình quỹ đạo, phần mềm xử lý và thời gian ngoại suy dài hay ngắn. Do sai số SA của Mỹ thì trong lịch vệ tinh còn có sai số do người chủ động gây ra (năm 2000 đã bỏ chế độ này). Sai số này ảnh hưởng đến kết quả đo của hai trạm gần nhau thì như nhau. Các vệ tinh khác nhau thì sai số này là độc lập với nhau, nếu có nhiễu SA thì tính chất này có thể bị phá vỡ. 1.4.1.2. Sai số đồng hồ vệ tinh. Trong vệ tinh sử dụng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao nhưng vẫn có sai số. Sai số này gồm cả sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên, sai số hệ thống thì lớn hơn nhưng có thể dùng mô hình để cải chính. Các trạm điều khiển luôn phát đi các số hiệu chỉnh để cải chính đồng hồ vệ tinh. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 19 Lớp : Trắc địa Khoa trắc địa Đồ án tốt nghiệp Các vệ tinh khác nhau thì có sai số đồng hồ vệ tinh được coi là độc lập khác nhau. Khi hai trạm đo cùng quan sát 1 vệ tinh thì sai số đồng hồ vệ tinh ảnh hưởng đến kết quả đo là như nhau. 1.4.1.3. Sai số do quỹ đạo vệ tinh. Sai số này gây ra do tốc độ chuyển động và vị trí trọng lực của vệ tinh ở các thời điểm khác nhau. Những sai số liên quan đến vệ tinh có ảnh hưởng như nhau đến kết quả đo khoảng cách giả và đo pha sóng tải. Hình 1.10 Sai số do quỹ đạo vệ tinh 1.4.2. Những sai số liên quan đến sự truyền tín hiệu. 1.4.2.1 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu. Khi tín hiệu vệ tinh truyền đi từ vệ tinh xuống máy thu trên mặt đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu, chính vì vậy tín hiệu thu được sẽ bị nhiễu. Người ta đã chứng minh được tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số tín hiệu. Chính vì vậy để có được độ chính xác cao người ta sử dụng máy GPS có hai tần số. SV: Đỗ Hữu Hùng C_K50 20 Lớp : Trắc địa