CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ DGPS


1. Lý thuyết chung về hệ thống GPS
Khi công nghệ GPS ra đời đã thiết lập được một hệ quy chiếu toàn cầu về không gian và cả thời gian, mà theo đó tại một vị trí bất kỳ trên trái đất ở một thời điểm bất kỳ với máy thu GPS trong tay ta có ngay toạ độ điểm đánh dấu vị trí và thời điểm đang đứng. Khi máy thu GPS sẽ di chuyển theo địa vật trên thực địa để thu thập thông tin định vị thì nó hoạt động tương tự như một thiết bị số hoá (digitizer) ngay tại thực địa. Và như vậy công nghệ GPS đã mở ra một khả năng ứng dụng thu thập thông tin mô tả tự nhiên một cách khoa học, thuận tiện, chính xác. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập bản đồ là nghiên cứu vấn đề đổi mới kỹ thuật đo vẽ bản đồ truyền thống.
1.1 Vài nét về Lịch sử phát triển công nghệ GPS
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 có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler, được sử dụng trong thương mại vào năm 1967.
Sau hệ thốngTRANSIT, 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 ban đầu bao gồm 24 vệ tinh 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). So với hệ thống TRANSIT, độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao, thời gian quan trắc vệ tinh được rút ngắn. Cho đến nay đã có 32 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 GALILEO 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 Trimble 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. Những năm sau đó công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp “0” lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới địa chính cơ sở hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác.
1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
Theo sự phân bố không 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).
1.2.1 Đoạn không gian: Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên 6 mặt phẳng quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất, chu kỳ 718 phút. Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm, mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh,. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm.
1.2.2 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). Các trạm này có nhiệm vụ thu số liệu vệ tinh liên tục, tính toán và điều chỉnh quỹ đạo các vệ tinh.
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.
1.3 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 dùng cho việc tính toạ độ điểm đo, bao gồm: trị đo Code (Code measurement) và trị đo pha (Phase measurement).
1.4 Nguyên lý định vị GPS
Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo (vị trí tâm pha của anten). 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.
1.4.1 Định vị tuyệt đối (point positioning)
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. 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.
1.4.2 Định vị tương đối (Relative Positioning)
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 là các thành phần số gia toạ độ X, Y, Z (hoặc B, L, H) của 2 điểm trong hệ toạ độ không gian. Độ chính xác định vị tương đối đạt cỡ cm và chủ yếu áp dụng trong lập lưới khống chế trắc địa.
1.5 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.
1.5.1 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.
1.5.2 Ảnh hưởng của tầng ion
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. Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài.
1.5.3 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 tín hiệu GPS do chiết suất biến đổi. Chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu. 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.
1.5.4 Hiện tượng đa tuyến (Multipath)
Đó là hiện tượng khi 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 anten máy thu. Hiện nay với công nghệ Everest, máy thu loại được các trị do có ảnh hưởng của Multipath.
1.5.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình các vệ tinh
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 có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo. Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là chỉ số phân tán độ chính xác DOP (Delution of Precision)
1.6 Những kỹ thuật đo GPS
1.6.1 Đo GPS tuyệt đối
Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu WGS-84 sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp (cỡ 10m), 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.
1.6.2 Đo GPS tương đối (Carrier-phase-based Relative GPS)
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) sử dụng nguyên lý định vị tương đối. Do bản chất của phương pháp, 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:
1.6.2.1 Đo GPS tĩnh (Static)
Đây là phương pháp chính xác nhất sử dụng 2 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.
1.6.2.2 Đo GPS động (Kinematic GPS)
Phương pháp dựa trên nguyên lý định vị tương đối, được tiến hành với 1 máy đặt cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover stations) di động đến các điểm cần đo với thời gian rất ngắn, độ chính xác 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)
Phương pháp cho phép thu được toạ độ đúng tại thực địa trong hệ toạ độ điạ phương bất kỳ với thời gian đo ngắn (1 trị đo – 1 giây).
– Đo GPS động xử lý sau (Post Procesed Kinematic GPS)
Giống như phương pháp GPS RTK, phương pháp này đo một loạt điểm với thời gian đo ngắn 2 (trị đo). Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng.
1.6.3 Đo cải chính phân sai DGPS (Code-based Differential GPS)
Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý định vị tuyệt đối sử dụng trị đo code và cả trị đo pha có độ chính xác đo toạ độ 1 – 3m, sử dụng 2 máy thu tín hiệu vệ tinh trong đó 1 tại 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 của trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động theo nguyên tắc đồng ảnh hưởng. Tổng hợp về các phương pháp đo GPSPS trong bảng sau:

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 số 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.gian 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 thực(GPS -RTK ) 4 1 trị đo
1cm+1ppm – Khoảng cách đo phụ thuộc vào RadioLink, <10km
– Cần khởi đo trên điểm biết toạ độ hoặc đo tĩnh nhamh
Đo DGPS xử lý sau (Post-Processed 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 tín hiệu cải chính.
Đo DGPS thời gian thực (Realtime –DGPS) 4 1 trị đo – 0.2m với máy thu Everest, Maxwel. với 5VT, PDOP<4
– 1-3m với máy thu khác cùng ĐK – Không cần thu vệ tinh liên tục, cần Radio truyền tín hiệu cải chính,
Các giá trị ghi trong bảng dựa trên kết quả mới nhất thu được với thiết bị đo của hãng Trimble

Bảng tổng hợp về các phương pháp đo GPS.
1.7 Tọa độ và hệ qui chiếu
Ellipsoid được chọn làm hệ toạ độ định vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này được hệ định vị GPS sử dụng 1984 gọi là Hệ Trắc Địa Thế Giới (WGS-84). Hệ toạ độ này dùng ellipsoid xác định bởi bán trục lớn a= 6378137.0 m và nghịch đảo độ dẹt 1/f = 298.257223563. Đây là hệ toạ độ địa tâm có 3 trục XYZ trong đó gốc toạ độ là địa tâm, trục X nằm trong mặt phẳng Xích Đạo đi qua kinh tuyến gốc và địa tâm; trục Y nằm trong mặt phẳng Xích Đạo và vuông góc trục X tại địa tâm; trục Z vuông góc với mặt phẳng Xích Đạo tại địa tâm có hướng Bắc và đi qua điểm cực BắcTrung bình. Do mỗi quốc gia lựa chọn một hệ toạ độ riêng nên khi đo GPS kết quả đo cần được tính chuyển về hệ toạ độ địa phương theo các tham số tính chuyển riêng.
2. Cơ sở lý thuyết và các giải pháp kỹ thuật cải chính phân sai trị đo GPS (dgps)
2.1 Cơ sở lý thuyết cải chính phân sai trị đo GPS (dgps)
DGPS là phương pháp kiểm tra tín hiệu vệ tinh GPS và cung cấp số cải chính phân sai cho máy thu GPS (máy động) nhằm nâng cao độ chính xác định vị. Bảng sau cho thấy sự ảnh hưởng của các nguồn sai số đến kết quả định vị.
Nguồn sai số Đo GPS tuyệt đối (m) Đo DGPS (m)
Đồng hồ vệ tinh 3.0 0
Sai số quĩ đạo 2.7 0
Tầng ion 8.2 0.4
Tầng đối lưu 1.8 0.2
Đồng hồ máy thu 0.3 0.3
Đa tuyến 0.6 0.6
Việc cải chính phân sai có thể tiến hành theo hai phương pháp sau đây:
– Phương pháp cải chính toạ độ: Theo phương pháp này số cải chính phân sai là hiệu số toạ độ (hiệu kinh độ, vĩ độ và độ cao:B, Lvà H) đã biết và toạ độ tính được theo trị đo GPS tại trạm Base.
– Phương pháp cải chính cự ly: Số cải chính phân sai là hiệu khoảng cách thật từ vệ tinh tới tâm điểm anten của máy thu GPS tại trạm Base và khoảng
cách tính được từ các trị đo tại trạm Base tới các vệ tinh.
Tuỳ theo thời điểm cải chính (cải chính toạ độ hoặc cải chính cự ly), có 2 phương pháp đo DGPS như sau:
– Phương pháp DGPS xử lý sau (Post processed):
Theo phương pháp này, số liệu đồng thời thu tín hiệu các vệ tinh giống nhau, trong cùng một khoảng thời gian tại trạm Base và trạm Rover được lưu lại và số cải chính phân sai cùng với toạ độ đã được cải chính của trạm Rover chỉ có được sau khi xử lý số liệu đo thực địa trong phòng.
– Phương pháp DGPS thời gian thực (Realtime DGPS):
Theo phương pháp này, tại trạm Base số cải chính phân sai liên tục được tính toán và được truyền tới các máy Rover thông qua các thiết bị truyền thông. Các máy thu DPS Rover đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh GPS và tín hiệu cải chính phân sai phát từ trạm Base để tính ra toạ độ chính xác (đã được cải chính phân sai).
2.2. Các phương pháp đo DGPS
2.2.1 Phương pháp MSK – DGPS với các trạm GPS dẫn đường (Beacon Control GPS Station)
Để ứng dụng kỹ thuật DGPS trên một khu vực, người ta xây dựng các trạm Reference DGPS cố định ở các vị nhất định để dẫn đường và cung cấp tín hiệu cải chính phân sai cho bất kỳ máy động nào nằm trong phạm vi phủ sóng được thiết kế.
Các trạm này được gọi là trạm GPS dẫn đường (Beacon Control GPS Station). Nhiều trạm Beacon Control GPS Station cùng hoạt động dưới sự điều khiển chung, được gọi là Beacon Control GPS System. Cấu hình thiết bị của các trạm Beacon Control rất linh động và phụ thuộc vào quy mô trạm, quy mô của hệ thống cũng như yêu cầu của đối tượng phục vụ.Tín hiệu cải chính phân sai được phát vào không gian qua hệ thống anten phát.
2.2.2. Phương pháp DGPS diện rộng
Các trạm Beacon Control thường chỉ có tầm phủ sóng khoảng 500-1000km. Để có thể hoạt động trên khu vực rộng lớn hơn, người ta áp dụng phương pháp DGPS diện rộng – WADGPS (Wide Area Differenfial GPS). Về nguyên lý phương pháp WADGPS như phương pháp MKS – Beacon DGPS song phương thức truyền tín hiệu cải chính tới các máy thu DGPS là truyền gián tiếp thông qua vệ tinh truyền thông (Communication Satellite). Các máy GPS động nằm trong tầm khống chế của vệ tinh truyền thông đều nhận được tín hiệu cải chính phân sai. Mỗi hệ thống WDGPS gồm nhiều trạm Reference, một vài Trung tâm kiểm tra và khoảng 3 – 4 vệ tinh truyền thông. Hiện nay, có 3 hệ thống WDGPS: Hệ thống Omnistar và Starfix của hãng Fugro và hệ thống Skyfix của hãng Racal.
2.2.3. Phương pháp DGPS xử lý sau (Post Processed DGPS)
Về bản chất nguyên tắc xử lý số liệu cũng giống như các phương pháp trên song sự khác nhau cơ bản ở đây là thời điểm xử lý số liệu. Với phương pháp này số liệu đo thực địa của trạm tĩnh và trạm động được ghi lại và kết hợp xử lý trong phòng sau thực địa với độ chính xác tương đương. Một ưu thế quan trọng của phương pháp này là khá cơ động do không phụ thuộc vào tầm phủ sóng cải chính của trạm gốc. Tầm hoạt động của trạm động so với trạm gốc đến 500 km số cải chính vẫn phù hợp, vẫn đảm bảo đạt độ chính xác

<sưu tầm>

Advertisements

2 Responses so far

  1. 1

    nguyễn hoài nam said,

    Hi Yến, tôi rất quan tâm tơí vấn đề này , và tôi có 1 câu hỏi cần bạn giúp đỡ, Khi Đo Sóng Beacon Tôi sử dụng Một máy thu DGPS, Làm sao tôi có thể kết hợp một máy thu GPS + máy thu DGPS để có độ chính xác trong realtime cao hơn?và Cho dù biết rằng máy thu GPS không thể nhận dc sóng từ Trạm Base Station.
    Thank you so much, I hope you reply soonest.


Comment RSS

Comments are closed.

%d bloggers like this: