Đề tài Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS

oàn bộ. Đo đạc địa chính đòi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4. Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan trắc GPS. Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10-6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly 20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng khống chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương pháp GPS. Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng công trình) đòi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự sai lệch về tín hiệu do môi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu. Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) đòi hỏi độ chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở chỗ trong trường hợp này cần phải có một mô hình phức tạp về các quỹ đạo vệ tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch khác. I.5.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ thay thế sự so sánh có tính thủ công các vật thể xung quanh phương tiện với bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các phương tiện thi hành luật pháp, công tác tìm kiếm hoặc cứu hộ.... Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn hình. I.5.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển: Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định (Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngoài khơi. Đối với công tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn) cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS. Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...) đều có thể dùng GPS làm công cụ định vị. I.5.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên biển lý tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cần đến phao nổi, công tác tìm kiếm và cứu hộ ngoài khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi. Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các dòng chảy của đại dương. I.5.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh. Trong đo vẽ ảnh hàng không, yêu cầu độ chính xác dẫn đường bay khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trò của các điểm khống chế mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng loại tỉ lệ bản đồ khác nhau. Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng không có thể được dùng để đo vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mô hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt hơn trong phép xử lý sau khi đo. Phép đo trọng lực hàng không cũng đòi hỏi một kiểu định vị tương tự như vậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực. Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada đòi hỏi độ chính xác định vị bộ cảm biến không cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số đo GPS. I.5.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng không quốc gia sẽ chính thức sử dụng GPS. Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ cốc...), những lĩnh vực không đòi hỏi tính an toàn của hàng không mà chỉ cần triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay. I.5.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm việc định vị và định hướng bay của các phương tiện không gian khác có mang theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này có quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada. Các vị trí tọa độ của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiến hoặc đơn giản hóa những tính toán quỹ đạo của các phương tiện không gian này, thậm chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ đạo bay. I.5.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí. Người ta trông đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện nay ở mức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ (như đồng hồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách tay, giá rẻ dễ sử dụng. I.5.9 Các ứng dụng trong quân đội Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị điểm theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngoài ra, các vệ tinh GPS còn mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân. I.6 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN 1990 ĐẾN NAY Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để đạt được các thành tựu mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật. Nói chung các thay đổi chủ yếu về kỹ thuật GPS là: Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều hơn trên mỗi điểm đo; Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn trong thu tín hiệu như trước đây; Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời gian; Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số nhiễu tín hiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ các vật đặt quanh antenna; Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế sai số do quỹ đạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu. Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990 cho đến nay như sau: I.6.1 Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thông qua các biện pháp hạn chế sai số đo: Trong công nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp khắc phục đã được áp dụng như sau: Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động chủ yếu vào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy, thông thường toạ độ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định được với độ chính xác khoảng từ 10 m tới100 m. Toạ độ này có vai trò rất quan trọng trong việc tính toán gia số toạ độ DX, DY, DZ của các base line. Nếu độ chính xác toạ độ tuyệt đối của một đầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì độ chính xác của DX, DY, DZ có thể tăng thêm được 1 dm. Chính vì vậy người ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được các base line có độ chính xác cao. Để khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện pháp sau: Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác có thể có được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này không tiện dùng vì phải chờ đợi trong thời gian không ngắn. Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vòng quỹ đạo của 32 vệ tính có thể hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange mới, độ chính xác đạt được tới 1 m. Độ chính xác này đã được thử nghiệm tại Việt nam và đã so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ theo các base line từ 1 điểm gốc toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với lưới IGS quốc tế. Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công nghệ RTCM với các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm định vị cố định toàn cầu. Công nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo. Sai số do môi trường truyền sóng: Môi trường chuyền sóng gây nên 3 loại sai số chủ yếu trong quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu: Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi từ khoảng không vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai số này không gây ảnh hưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên khoảng cách dài. Để khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc trên khoảng cách dài. Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong lớp khí quyển gần mặt đất. Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách ngắn mà không đáng kể trên khoảng cách dài. Trước đây người ta yêu cầu đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần mềm đã sử dụng số hiệu chỉnh theo mô hình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng các số hiệu chỉnh do nhiệt độ, áp suất, độ ẩm. Sai số nhiễu tín hiệu do môi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là do các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna. Để khắc phục sai số này người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (cả firmware và software). Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác kết quả đo GPS. Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là một việc có thể làm ngay được, ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử như trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giá thành máy thu. Người ta chỉ có thể cải tiến các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệ tinh. Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được các base line có độ chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990. Các trị đo GPS cạnh dài đã nâng được độ chính xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn 1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạt được. I.6.2 Nâng cao độ chính xác tính toán nhờ các thuật toán mới: Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các sai số đo. Người ta tập trung vào 2 giải pháp sau đây: Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có được để loại trừ sai số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh và hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất. Sử dụng hiệu bậc mấy để có một lời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ theo thời gian. Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềm TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994, đến 1995 họ đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn nhiều. Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh, theo thời gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên. Trong phần mềm mới GPSurvey của hãng TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý các base line. I.6.3 Nâng cao khả năng công nghệ của GPS: Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương pháp đo tĩnh. Như trên giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây. Ngoài ra công nghệ GPS đã được phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác nữa để áp dụng cho nhiêù mục tiêu khác nhau như: RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt được độ chính xác tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn; RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh tới trạm động đạt được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ trung bình; MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000 km) đạt độ chính xác cỡ 1 m; Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ 1 dm . CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS II.1 ĐỒ HÌNH VỆ TINH VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG. Máy thu GPS nhận tín hiệu trực tiếp từ vệ tinh, vậy tại điểm đo cần có một khoảng trống với khoảng thiên đỉnh phù hợp với việc xuất hiện 4 vệ tinh đồng thời thông hướng tới máy thu trong thời gian đo. Nếu khoảng trống trên không có vật gì che khuất thì chất lượng tín hiệu hoàn toàn sạch. Tín hiệu có thể bị đứt quãng hoặc nhiễu nếu trong khoảng trống bị tán cây bao phủ hoặc mây che khuất. Nếu mây che khuất là loại mây không mang mưa thì tín hiệu nhận được vẫn đảm bảo chất lượng tốt. Các tán cây bao phủ cần dọn dẹp để có một độ quang tối đa. Nếu các điểm đo không phải là những điểm cũ thì ta có thể xê dịch điểm đến một vị trí quang đãng hơn. Một nhược điểm nữa của việc bố trí điểm GPS trên mặt đất là không được bố trí gần các trung tâm phát sóng mạnh, khoảng cách phải lớn hơn 500 m. Nếu cần thiết phải bố trí điểm tại đó chúng ta phải đo vào lúc đài phát không làm việc. Để đạt được độ chính xác cao khi đo GPS phải chọn thu tín hiệu các vệ tinh có đồ hình phân bố đều trên bầu trời xung quanh điểm đặt máy thu. Đồ hình vệ tinh tốt là đồ hình trình bày ở hình 1. Đồ hình ở hình 2 là đồ hình xấu. Hình 1 Hình 2 Môi trường rộng hơn xung quanh điểm đo phải nói tới toàn bộ bầu khí quyển. Như ta đã biết, bầu khí quyển được chia thành 3 lớp: tầng đối lưu, tầng bình lưu và tầng ion. Tầng bình lưu không gây ảnh hưởng tới việc truyền tín hiệu trong khí quyển. Tầng đối lưu và tầng ion có ảnh hưởng trực tiếp làm cong tia tín hiệu trong khí quyển. Tầng ion gây nên độ cong tia tín hiệu do khúc xạ khi tia truyền từ trên không vào bầu khí quyển. Nếu khoảng cách đo trên mặt đất không xa nhau thì các tia bị khúc xạ đều và không gây ảnh hưởng tới gia số tọa độ các điểm mặt đất. Vì vậy để đo giữa các điểm mặt đất có khoảng cách dài, chúng ta phải sử dụng máy thu 2 tần số. Việc thu song song 2 tần số L1 và L2 cho phép ta loại được độ chiết quang không đồng nhất giữa các tia xa nhau. Tầng đối lưu cũng gây cho ta trở ngại lớn trong việc đo đạc với độ chính xác cao. Quy luật của tầng đối lưu được mô tả trong các mô hình khí quyển. Mô hình được sử dụng trong công nghệ GPS là mô hình của Hopfield. Trong mô hình này, chúng ta phải tiến hành đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại các điểm đặt máy thu. Sau khi tính các số hiệu chỉnh chúng ta đạt được độ chính xác cỡ 0.5cm. Để loại trừ cao nhất ảnh hưởng của tầng đối lưu chúng ta có thể chọn thời gian đo thích hợp theo từng mùa. Tại các thời điểm này Gradient các tham số của tầng đối lưu bằng 0. Vấn đề tác động của môi trường tới các trị đo vệ tinh được thể hiện ở các loại nhiễu khác nhau trong trị đo. Các loại nhiễu này có 2 dạng: 1. Máy thu được trị đo bị gián đoạn 2. Máy thu nhận sai các tham số của trị đo. Để loại nhiễu loại 1 chúng ta có thể dùng phương pháp nội suy để liên tục hóa dãy trị đo. Riêng những nhiễu loại 2 chúng ta phải dùng các công cụ tính toán thống kê để loại bỏ. Hiện nay người ta vẫn dùng công thức lọc của Kalmann. Điều này có nghĩa là nhiễu loại 2 phải được loại bỏ, nhưng loại bỏ như thế nào cho hợp lý lại là toàn bộ vấn đề của phần mềm phục vụ chỉnh lý số liệu. II.2 ĐỒ HÌNH LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS. Khi xây dựng lưới trắc địa, công nghệ GPS được ứng dụng như một phương pháp đo có ưu thế hơn hẳn các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên đồ hình lưới trắc địa về cơ bản vẫn áp dụng các đồ hình truyền thống. Do những ưu việt của phương pháp công nghệ GPS một số tiêu chuẩn của đồ hình lưới có thể đơn giản hơn. Dưới đây là các dạng đồ hình thông dụng: Đồ hình lưới tam giác dày đặc Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 3), Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác (hình 4), Đồ hình lưới tứ giác (hình 5), Đồ hình lưới đường chuyền Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể (hình 6), Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh (hình 7), Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác (hình 8), Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn (hình 9), Hình 3 Hình 4 Hình 5 Hình 6 Hình 7 Hình 8 Hình 9 Qua thực tế áp dụng các dạng đồ hình trên có thể nhận xét như sau: Lưới trắc địa đo bằng công nghệ GPS có thể thiết kế dưới dạng lưới tam giác, tứ giác hoặc đường chuyền. Đồ hình lưới tốt nhất là đồ hình tam giác và đường chuyền chuỗi tam giác đo tất cả các cạnh. Thứ tự các loại đồ hình theo mức độ giảm dần độ chính xác như sau: Đồ hình lưới tam giác dày đặc đo nối tất cả các cạnh có thể; Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác đo nối tất cả các cạnh có thể; Đồ hình lưới tam giác dày đặc chỉ đo nối các cạnh tam giác; - Đồ hình lưới tứ giác; Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tam giác chỉ đo nối các cạnh tam giác; Đồ hình lưới đường chuyền dạng chuỗi tứ giác chỉ đo nối các cạnh tứ giác; Đồ hình lưới đường chuyền dạng tam giác nối nhau tại 1 đỉnh; - Đồ hình lưới đường chuyền dạng cạnh đơn, Có thể áp dụng các dạng đồ hình trên đây để thiết kế lưới, nhưng thời gian đo phải lớn hơn thời gian đo tối thiểu theo thứ tự ngược lại và lưu ý các điểm khởi tính phải đo nối ít nhất với 3 điểm khác. Thời gian đo càng lớn thì độ chính xác càng tăng. Trong điều kiện Việt Nam, thời gian đo tối thiểu đối với các cạnh dưới 5 km nên là 90 phút, các cạnh trên 5 km - 180 phút. Chênh lệch độ dài các cạnh nối các điểm liền kề không được quá lớn (theo kinh nghiệm không nên lớn hơn 1,5 lần chiều dài cạnh trung bình). Góc kẹp giữa các cạnh không ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của lưới, nhưng không nên thiết kế góc kẹp quá nhỏ. II.3 ĐO GPS. Trong phần này sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích thời điểm và thời gian đo GPS. Việt Nam có vị trí địa lý ở vĩ độ thấp, do đó hầu như htời điểm nào cũng có đủ tối thiểu 4 vệ tinh GPS bay qua, tuy nhiên với thời gian đo tối thiểu đối với các cạnh có chiều dài khác nhau như đã nhận xét ở trên, không phải thời điểm nào kết quả đo GPS cũng đạt các yêu cầu. Để dễ dàng trong việc tính cạnh và đạt kết quả cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để chọn khoảng thời gian đo tối ưu phù hợp với số thời gian đo tối thiểu. Việc lập lịch đo có thể tiến hành theo chương trình trong bộ phần mềm xử lý kèm theo các loại máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng Intergraph là chương trình MISSION PLANNING). Nội dung lập lịch đo là xác định kế hoạch đo hợp lý nhất với từng vị trí trên trái đất và từng thời điểm. Chương trình lập lịch đo cho ta các biểu đồ về tất cả các chỉ tiêu của vệ tinh GPS để lựa chọn. Các biểu đồ chính được trình bày trong các hình 10 đến hình 17. Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu trời trong 24 giờ Hình 11: Số lượng vệ tinh trong từng thời điểm Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong từng thời điểm Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với điểm đặt máy thu Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh Hình 17:Độ chính xác hình học Từ các biểu đồ trên đây, chúng ta có thể thấy rằng đối với vị trí địa lý của Việt Nam thời điểm đo GPS tốt nhất là vào ban đêm từ khoảng 19 giờ đến nửa đêm và từ 4 đến 7 giờ sáng, buổi chiều từ khoảng 14 đến 16 giờ. Cũng trong các khoảng thời gian trên có số vệ tinh bay qua lớn nhất (trên 8 vệ tinh). Đối với hầu hết các lâọi máy thu đo GPS có thể tiến hành theo một trong 2 kiểu: 1. Đo nhanh (Quick Start): là chế độ bật máy và máy sẽ thu ngay tín hiệu của các vệ tinh đang có trên bầu trời. Chế độ này không đòi hỏi một sự chuẩn bị trước nào khác. 2. Đo theo chương trình đặt trước ( Pre-Planned Start) là chế đo được chuẩn bị trước. Đo theo chương trình có 2 loại: theo giờ định trước cho mỗi ngày và theo giờ cùng ngày định trước. Loại thứ nhất thường dành cho việc đo trên những điểm gốc đặt cố định còn loại thứ 2 thường dùng để đo trên những điểm dã ngoại. ở chế độ đo theo chương trình chúng ta có thể đặt trước tên điểm đo, ghi chú điểm, thời gian bắt đầu đo, thời gian kết thúc đo, độ cao vệ tinh bắt đầu thu tín hiệu, số hiệu những vệ tinh máy cần nhận tín hiệu. Khi sử dụng chế độ đo theo chương trình (PRE - LANNED START) trên máy thu chúng ta cần phải đặt trước tên trạm đo và thời gian đo thích hợp (xác định theo chương trình MISSION PLANNING). Sau khi kết thúc đo chúng ta trút trị đo từ máy thu vào máy tính bằng chương trình trút số liệu tương ứng (DOWNLOAD DATA) . Đối với các loại máy thu của Hãng Trimble Navigation trị đo bao gồm các tập hợp (files): T.EPH, T.MES, T.ION, T.DAT (T là tên tập hợp). Tập hợp T.EPH là tập hợp chứa lịch vệ tinh, tập hợp T.MES chứa những thông tin bổ sung, tập hợp T.ION chứa tham số về tầng ion của khí quyển còn tập hợp T.DAT chứa số liệu đo bao gồm pha j và thời gian t. Đối với loại máy thu của Hãng Ashtech trị đo gồm 3 tập hợp có ký hiệu đầu là B, E và S. Tập hợp B, E tương đương với T.DAT, T.EPH, còn tập hợp S chứa các số liệu khí tượng. Để có thể tính cạnh bằng các phần mềm khác nhau, khi trút số liệu nên chuyển các tập hợp trị đo về dạng RINEX. II.4 XỬ LÝ KHÁI LƯỢC CÁC TRỊ ĐO GPS (TÍNH BASELINES) II.4.1 Nguyên lý tính cạnh (tính baselines) Tín hiệu vệ tinh GPS máy thu nhận được bao gồm: số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, giờ quốc tế UTC, mô hình tầng điện ly, lịch và tình trạng hoạt động của các vệ tinh để xác định vị trí của vệ tinh v.v… Bằng các dữ liệu trên và thời gian đo được giữa thời điểm vệ tinh phát tín hiệu và thời điểm máy thu nhận được tín hiệu ta có thể tính được khoảng cách từ máy thu (tâm ăng-ten) đến vệ tinh khoảng cách này được gọi là giả cự ly (pseudo-range). Mô hình trị đo GPS được biểu diễn dưới dạng[4]: p = r + c(dt-dT) + dion + dtrop (8) Trong đó: - p là cự ly quan trắc, - r được xác định thông qua hàm của toạ độ trạm đo và toạ dộ vệ tinh, - c(dt-dT) là độ lệch đồng hồ vệ tinh và máy thu, - dion + dtrop là các số hiệu chỉnh tầng điện ly và đối lưu. Nguyên lý của việc tính cạnh đo GPS trong lưới trắc địa là giải phương trình vec-tơ: DRij = Rj - Ri (9) Trong đó DRij là trị tựa quan trắc của hiệu toạ độ có hiệp phương sai là CDR. Theo nguyên lý trên việc tính cạnh (tính baselines) được thực hiên theo các bước sau đây: Bước thứ nhất là xác định tọa độ tuyệt đối của các điểm đầu cạnh. Để làm việc này, chúng ta sử dụng phương trình đo (1) và giải ra các tọa độ xp, yp, zp, với độ chính xác cỡ 10 m. Bước tiếp theo là xác định sai số tọa độ giữa các điểm mặt đất. Trong bước này chúng ta có thể sử dụng công thức (6) để thiết lập hệ thống phương trình đo dưới dạng: V= a1x1 + a2x2 + L (10) Trong đó: x1 - Vector tọa độ các trạm mặt đất. x2 - Vector tham số mô tả các mô hình ảnh hưởng hệ thống. aP(t), bs(t) và gp, A1, A2 - Các ma trận hệ số. V - Vector số hiệu chỉnh. L - Vector số hạng tự do. Để giải hệ thống (8) chúng ta sử dụng phương pháp sai phân. Nội dung của phương pháp là tìm ma trận D trực giao với ma trận A2 và nhân 2 vế của (8) với D. Chúng ta có: DV = DA1x1 - DL (11) hay V = A1x1 - L (12) Trong đó V = DV, A1 = DA1, L=DL nếu L trong (8) là các trị đo có cùng độ chính xác thì hệ (9) sẽ có phương trình chuẩn: (A1TDT (DDT)-1DA1)X1 = (ATDT(DDT)-1D)L (13) Ma trận D được gọi là ma trận sai phân và yêu cầu phải có dạng đầy (để ma trận DDT có dạng ngược). Vấn đề đặt ra là phải xác định được ma trận sai phân D. Việc này sẽ được giải quyết nếu chúng ta lưu ý tới các trị đo từ nhiều điểm mặt đất tới vệ tinh ở nhiều thời điểm khác nhau. Theo hướng này chúng ta phân ra 3 loại toán tử sai phân: 1. Toán tử Ñ - hiệu trị đo giữa 2 vệ tinh và một trạm mặt đất, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ thống của trạm đo ap(t). 2. Toán tử D - hiệu trị đo giữa 2 trạm mặt đất và 1 vệ tinh, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ thống của vệ tinh bs(t). 3. Toán tử d - hiệu trị đo giữa 2 thời điểm liền nhau giữa 1 vệ tinh và 1 trạm mặt đất, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ thống hằng số gsp. Các toán tử sai phân này gọi là sai phân bậc 1 (single difference). Tích của các loại toán tử sai phân bậc 1 chúng ta có toán tử sai phân bậc 2 (double difference). 1. ÑD và DÑ loại từ ảnh hưởng của ap(t) và bs(t). 2. dÑ và Ñd loại từ ảnh hưởng của ap(t) và gs(t). 3. dÑ và Ñd loại trừ ảnh hưởng của bs(t) gs(t) tích hỗn hợp của 3 loại toán tử sai phân bậc 1 ta có toán tử sai phân bậc 3 (triple difference). Các toán tử này có dạng dDÑ, DdÑ, dÑD, ÑdD, DÑd, ÑDd đều loại trừ cả 3 ảnh hưởng hệ thống ap(t), bs(t) và g. II.4.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh) Theo nguyên lý trình bày trên đây, có nhiều phần mềm được xây dựng để xử lý số liệu đo GPS. Hầu hết các phần mềm được cung cấp kèm theo máy thu GPS. Trong khuôn khổ đề tài này chỉ nghiên cứu thử nghiệm các phần mềm xử lý số liệu đo GPS để thành lập lưới trắc địa. Sự khác nhau của các hệ thống phần mềm tính cạnh chỉ thể hiện ở chỗ chọn loại toán tử sai phân nào cho phù hợp. Ví dụ chương trình của Remondi (1984) chọn loại toán tử sai phân bậc 1: Ñ, chương trình của Vanicek (1985) chọn toán tử sai phân bậc 2: DÑ, còn chương trình của Eren (1987) chọn toán tử sai phân bậc 3: dDÑ. Đối với các tập hợp trị đo hoàn toàn lý tưởng (không bị nhiễu) thì chúng ta có thể tự động hóa từ đầu đến cuối. Rất đáng tiếc là tập hợp trị đo nói trên có nhiễu, trong trường hợp này chúng ta phải dùng chế độ không tự động. Trong chế độ này người tính phải có nhiều kinh nghiệm để quyết định loại bỏ số liệu bị đứt đoạn, quyết định số lần lặp v.v... Điều quan trọng nhất là bằng những kinh nghiệm đã có chúng ta có thể tìm nhanh chóng được lời giải thỏa mãn các tiêu chuẩn đã đặt ra ở phần trên. Độ sạch của số liệu càng lớn thì quá trình tính toán càng nhanh. Độ sạch càng thấp thì tính toán càng lâu và thấp tới mức nào đấy thì sẽ không tìm thấy lời giải thỏa đáng. Ở Việt Nam hiện nay các máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây dựng lưới trắc địa chủ yếu là máy thu của Hãng Trimble Navigation, do đó trong phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm để rút ra các chỉ tiêu xử lý số liệu đo GPS bằng 2 phần mềm của Hãng Trimble Navigation: TRIMVEC PLUS và WAVE. Phần mềm TRIMVEC PLUS Phần mềm TRIMVEC PLUS là một bộ chương trình gồm 2 chương trình: TRIM640: Là chương trình dùng để xử lý từng cạnh đơn - Xác định ra một vector giữa 2 điểm trong không gian. TRIMMBP: Là chương trình có thể xử lý nhiều cạnh trong không gian - Xác định ra các vector giữa nhiều điểm trong không gian. Cả hai chương trình có thao tác tương đối giống nhau nhưng lại cho ra các kết quả khác nhau. Ngoài ra, TRIM640 có chạy nhanh hơn đôi chút so với TRIMMBP. Trong thực tế người ta thường sử dụng TRIM640 trong các trường hợp kiểm tra chất lượng đo ở ngoại nghiệp. Sử dụng phần mềm TRIMVEC PLUS ta có thể tính toán các đại lượng sau đây: PSEUDO - RANGE: Cho phép tính toán tọa độ tuyệt đối của từng điểm. TRIPLE SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 3 dDÑ. Lời giải này có độ chính xác không cao khi khoảng cách ngắn. Lời giải có xác suất tốt hơn với khoảng cách lớn hơn 50 km. Lời giải này có tên là lời giải TRIPLE. FLOAT SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 2 DÑ. Lời giải có xác suất tốt hơn với khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Lời giải này mang tên FLOAT. FIXED SOLUTION: Cho ta lời giải theo phương pháp sử dụng sai phân bậc 2 DÑ. Lời giải này khác với những lời giải TRIPLE và FLOAT là có thêm phần kiểm định tiêu chuẩn Fisher giữa các nhóm trị đo để khẳng định độ tin cậy của lời giải. Lời giải này mang tên FIX. Trong trường hợp các trị đo không bị nhiễu thì các lời giải hoàn toàn trùng nhau. Đó là trường hợp lý tưởng. Thực tế trị đo luôn luôn có nhiễu ở những mức độ khác nhau vì lý do này các lời giải khác nhau. Vì lời giải FIX có khả năng phân tích phương sai để kiểm định chất lượng theo tiêu chuẩn Fisher, nên lời giải này có độ tin cậy lớn nhất. Lời giải FIX đưa ra các tham số về độ chính xác lời giải: RDOP (Relative Dillution of Position - đơn vị chu kỳ/mét), RMS (Root Mean Square - đơn vị chu kỳ, một chu kỳ=19 cm), å (phương sai của vị trí điểm tương hỗ), RATIO - độ tin cậy của lời giải, F - chuẩn Fisher. Thông thường, các lời giải FLOAT và TRIPLE nếu sử dụng phải thực hiện thông qua việc xử lý bán tự động. Kết quả tính cạnh cần đạt các chỉ tiêu sau đây: Ratio cần phải lớn hơn 3.0; RDOP < 0.1; RMS là sai số xác định chiều dài cạnh, yêu cầu RMS phải thỏa mãn các tiêu chuẩn trong bảng 9. Bảng 9: Chỉ tiêu RMS Khoảng cách (km) RMS 00 - 10 0.020 - 0.060 10 - 20 0.060 - 0.090 20 - 30 0.090 - 0.115 30 - 40 0.115 - 0.140 40 - 60 0.140 - 0.170 å là sai số tương hỗ vị trí điểm, 2 loại sai số này phải nhỏ hơn sai số yêu cầu của mạng lưới cần đo. Chuẩn Fisher F là một đại lượng thỏa mãn điều kiện F>3-0.02D km. Khi các tiêu chuẩn trên đã được thỏa mãn thì lời giải FIX được coi là có độ tin cậy 99,99%. Trong những trường hợp các tiêu chuẩn trên bị vi phạm từ 1 tới 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì các lời giải FIX cần phải được cân nhắc (độ tin cậy có thể giảm tới mức 90%). Lúc này ta có thể cân nhắc giữa lời giải FLOAT và FIX (với khoảng cách 50 km) hoặc giữa lời giải TRIPLE và FIX (với khoảng cách 50 km). Việc cân nhắc này được quyết định thông qua sai số các vòng khép tọa độ. Nếu các tiêu chuẩn của lời giải FIX, FLOAT và TRIPLE bị vi phạm quá 1.5 lần giá trị chuẩn đã cho thì lời giải coi như bị loại bỏ, tức là phải đo lại. Ngoài ra cần lưu ý các chỉ tiêu sau đây: RMS cần phải nhỏ hơn 0.05 cho các cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10km hoặc 0.08 cho các cạnh có chiều dài đến 20km. Sự khác biệt các thành phần dx, dy, dz giữa lời giải FLOAT và lời giải FIXED cần phải nhỏ hơn 10 cm đối với các cạnh nhỏ hơn 10km. Đối với các cạnh có chiều dài lớn hơn 20km trị đo phải được đo tối thiểu 90 phút, đồng thời phải có ít nhất 4 hoặc 5 vệ tinh liên tục. Nếu rms lớn hơn 0.05 đối với cạnh có chiều dài nhỏ hơn 10km cần phải tiến hành xử lý lại bằng phương pháp bán tự động. Đối với các cạnh dài khi lời giải FIX không đạt được thì nên sử dụng lời giải float. Đối với các cạnh có chiều dài lớn hơn 60km cần xử lý bán tự động và sử dụng lời giải TRIPLE. Thông thường khi tính cạnh điểm đầu cạnh cần có toạ độ trong hệ WGS-84 với độ chính xác cỡ 100m (đối với cạnh ngắn) và 10m (đối với cạnh dài). Toạ độ này nhận được thông qua thực đơn tính PSEUDO-RANGE của chương trình. Kết quả tính cạnh tốt nhất đạt được khi toạ độ điểm đầu cạnh có độ chính xác cỡ 1-2 m, đồng thời các cạnh trong lưới được tính lan truyền. Yêu cầu này hoàn toàn thực hiện được vì mạng lưới hạng I, II của ta đã được bình sai theo hệ WGS-84 quốc tế và toạ độ B, L và H có sai số cỡ 1-2 m so với các điểm trong hệ toạ độ quốc tế IGS. Phần mềm WAVE WAVE - Weighted Ambiguity Vector Estimator, là một chương trình có chức năng xử lý trị đo GPS trong bộ phần mềm GPSURVEY. WAVE chạy trong môi trường Windows có khả năng xử lý các trị đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (FastStatic) hoặc các trị đo động. Các trị đo phase và trị đo code được sử dụng để tạo ra các vector có độ chính xác cao giữa 2 điểm trong không gian. Điểm nổi bật của nó là có thể xử lý các trị đo lớn, đồng thời xử lý tất cả các vệ tinh, trong khi TRIMMBP chỉ xử lý được tối đa là 9 vệ tinh. Phần mềm WAVE còn đưa ra thêm một chỉ tiêu khác để đánh giá kết quả tính cạnh, đó là độ lệch tham khảo (reference variance). Qua các kết quả tính toán thử nghiệm có thể rút ra quy định về chỉ tiêu này trong bảng 10. Bảng 10: Chỉ tiêu Reference Variance Chiều dài cạnh (km) Reference Variance Máy 2 tần số Máy 1 tần số 1 - 30 <5.0 <20.0 > 30 <10.0 <30.0 II.5 BÌNH SAI LƯỚI TRẮC ĐỊA ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS. Như đã trình bày ở trên có nhiều phần mềm được xây dựng để bình sai lưới trắc địa đo bằng GPS được cung cấp kèm theo máy thu GPS, ở Việt Nam hiện nay các máy thu GPS sử dụng cho mục đích xây dựng lưới trắc địa chủ yếu là máy thu của Hãng Trimble Navigation, do đó trong phần dưới đây sẽ trình bày kết quả thử nghiệm bình sai lưới trắc địa bằng phần mềm của Hãng Trimble Navigation: TRIMNET+. Phần mềm TRIMNET+ có các chức năng chính sau đây: Xây dựng lưới từ kết quả tính cạnh; Bình sai không gian trong hệ toạ độ trắc địa; Bình sai trong hệ toạ độ phẳng; Bình sai lưới đo bằng phương pháp truyền thống; Bình sai kết hợp 2 loại lưới: đo bằng công nghệ GPS và đo bằng phương pháp truyền thống; Xây dựng mô hình Geoid. Từ kết quả nghiên cứu thử nghiệm bình sai một số mạng lưới GPS có thể rút ra trình tự tính toán bình sai các mạng lưới GPS như sau: 1. Các cạnh đo GPS được tính độc lập theo phần mềm TRIMVEC PLUS (hoặc các phần mềm tương ứng ). Các chỉ tiêu RMS, RDOP và RATIO phải đạt hạn sai qui định. 2. Kết quả xử lý tất cả các cạnh trong mạng lưới đã được đưa vào bình sai không gian theo phần mềm TRIMNET trong hệ WGS-84. 3. Chuyển từ hệ WGS-84 về hệ tọa độ địa phương (về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam). Việc tính chuyển tọa độ giữa hệ WGS-84 về hệ tọa độ Nhà nước Việt nam tiến hành trên cơ sở coi hai hệ trục tọa độ không gian song song với nhau. Do đó các thông số tính chuyển được xác định như sau: (14) 4. Sử dụng các điểm đã biết các giá trị tọa độ mặt phẳng và giá trị độ cao trắc địa đã được xác định trong bước tính chuyển H = h + N - N là độ cao Geoid, làm khởi tính tiến hành bình sai lưới theo phần mềm TRIMNET. Việc bình sai mạng lưới được tiến hành theo thuật toán tóm tắt sau đây: Trị đo GPS Ax + 1 = V Hệ phương trình sai số với trọng số P N = ATPA Hệ phương trình chuẩn Nghiệm Sai số chuẩn. Sử dụng phần mềm TRIMNET+ ta có thể bình sai lưới trắc địa theo các phương án sau đây: Bình sai trong hệ toạ độ vuông góc không gian, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng (thông qua hệ toạ độ trắc địa); Bình sai trong hệ toạ độ trắc địa, sau đó tính chuyển kết quả về hệ toạ độ phẳng; Bình sai trực tiếp trong hệ toạ độ phẳng. Theo các phương án trên có thể bình sai chung cả mặt phẳng và độ cao hoặc bình sai mặt phẳng và độ cao riêng biệt. Về độ cao có thể bình sai trong hệ độ cao trắc địa hoặc trong hệ độ cao thuỷ chuẩn, hoặc bình sai cả trong 2 hệ độ cao. Trong quá trình bình sai phần mềm TRIMNET+ cho phép đặt trọng số chung cho tất cả các trị đo hoặc cho từng trị đo riêng biệt. Bình sai theo phương án 1 và phương án 2 là như nhau. II.6 VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CAO ĐO BẰNG CÔNG NGHỆ GPS. Vấn đề xác định độ cao đo bằng công nghệ GPS được nghiên cứu chi tiết trong đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong đo độ cao”, do đó ở đây không trình bày kết quả nghiên cứu mà sử dụng các kết luận của đề tài nói trên trong việc biên soạn quy định kỹ thuật, các kết luận đó là: Sử dụng mô hình geoid toàn cầu OSU91a, tốt hơn là EGM96 kết hợp với các điểm thuỷ chuẩn có thể xác định độ cao thuỷ chuẩn với độ chính xác thuỷ chuẩn hạng IV nhà nước ở vùng đồng bằng và thuỷ chuẩn kỹ thuật ở vùng núi. Để đạt được độ chính xác nêu trên trong lưới tối thiểu phải có 1 điểm thuỷ chuẩn với độ chính xác thuỷ chuẩn hạng III nhà nước trên khoảng cách 25 đến 30 km. Để xác định độ cao với độ chính xác nêu trên cần tiến hành bình sai độ cao trong hệ toạ độ WGS-84. Kết quả xác định độ cao sẽ tốt hơn khi áp dụng mô hình geoid địa phương được xây dựng dựa trên mô hình EGM96 và các điểm thuỷ chuẩn có trong lưới. CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐO VÀ XỬ LÝ TÍNH TOÁN BÌNH SAI KẾT QUẢ ĐO GPS ĐỂ THÀNH LẬP CÁC MẠNG LƯỚI TRẮC ĐỊA (Theo công nghệ GPS của hãng Trimble Navigation) I. ĐỘ CHÍNH XÁC LƯỚI GPS VÀ THIẾT KẾ ĐỒ HÌNH LƯỚI. 1. Độ chính xác lưới GPS Trị đo GPS đạt độ chính xác các yếu tố theo bảng sau: Khoảng cách ms/s ma mDh 30 km 1/700 000 0"2 4.3 cm 20 km 1/500 000 0"4 4.0 cm 10 km 1/300 000 0"7 3.3 cm 5 km 1/250 000 0"8 2.0 cm 2 km 1/200 000 1"0 1.0 cm 1 km 1/100 000 2"0 1.0 cm Khi các trị đo GPS kết cấu thành lưới độ chính xác các yếu tố sau bình sai có thể tăng lên hơn nữa tùy theo kiểu đồ hình. 2. Đồ hình lưới GPS. Nhìn vào bảng liệt kê độ chính xác ở trên, chúng ta có thể thấy sơ bộ là độ chính xác của trị đo GPS cao hơn độ chính xác của các yếu tố lưới thực hiện theo công nghệ cổ truyền. Vì vậy về nguyên tắc chúng ta có thể đơn giản hóa dạng đồ hình của lưới. Để đảm bảo an toàn, chúng ta vẫn chấp nhận dạng lưới tam giác hoặc đa giác cho các lưới hạng I, II, III, IV Nhà nước. Đối với các lưới hạng thấp hơn chúng ta căn cứ vào yêu cầu độ chính xác đặt ra để thiết kế cho phù hợp. Để xác định độ chính xác dự báo của lưới chúng ta dùng chương trình máy tính tính độ chính xác của lưới. 3. Thiết kế lưới GPS. Để thiết kế lưới GPS chúng ta thực hiện theo các bước sau: - Thiết kế sơ bộ trên bản đồ theo độ chính xác yêu cầu. - Chọn điểm ngoài thực địa phải bảo đảm các yêu cầu sau: + Điểm không được đặt gần các trạm phát sóng vô tuyến mạnh (nằm ngoài bán kính 500 m). + Điểm không đặt quá sát các nhà cao tầng. + Điểm không được nằm dưới các tán lá cây quá rậm. + Điểm phải thỏa mãn các yêu cầu sử dụng của lưới. - Lên điểm lại trong thiết kế chính thức. - Chôn mốc ngoài thực địa với quy cách mốc theo yêu cầu của từng loại công trình. Qua những quy định trên của thiết kế lưới GPS, chúng ta thấy loại lưới này không cần thông hướng giữa các điểm nên có thể bỏ qua bước phát hướng và dựng tiêu. II. ĐO GPS. Máy thu 4000-ST SURVEYOR là loại máy thu GPS 1 tần số. Khi sử dụng máy chúng ta phải đảm bảo các yêu cầu sau đây: 1. Xem xét bộ phận chống ẩm phía sau máy, nếu chỉ số quá 60 thì phải tháo túi bột hút ẩm để rang lại bột hoặc thay bột mới. 2. Người sử dụng máy phải thuộc kỹ bảng quy trình sử dụng máy thu GPS TRIMBLE NAVIGATION 4000-ST (xem phụ lục kèm theo). 3. Lắp đặt máy lên giá 3 chân sau khi đã cân bằng đế máy thu, lắp ắc quy vào máy, bật máy và theo dõi sự kiểm định 8 kênh thu, kiểm tra sự hoạt động của các phím cứng trên máy. 4. Theo lịch đo đã lập ở phần trên, chúng ta đưa kế hoạch đo vào máy thu bằng phím cứng SECTION trên máy. Sử dụng phím cứng Control để xóa đi các tập hợp trị đo không cần thiết (xem quy trình sử dụng máy thu). 5. Tại mỗi điểm đo chúng ta đặt giá 3 chân, định tâm và cân bằng đế máy, đặt máy lên đế máy, khởi động máy, kiểm tra lại kế hoạch đo đã ghi vào máy, sử dụng phím cứng Control để đặt các chế độ thu vệ tinh thích hợp (xem quy trình sử dụng máy thu). 6. Đặt máy thu theo chế độ đo tĩnh có chương trình ở loại chương trình điều khiển hay chương trình tự động tùy theo thói quen của người sử dụng (xem quy trình sử dụng máy thu). 7. Trong quá trình máy thu ghi số liệu người điều khiển máy phải làm 3 nhiệm vụ: - Theo dõi sự hoạt động của máy thu, đặc biệt lưu ý tới độ liên tục ghi tín hiệu và khả năng dòng điện bị ngắt do chạm tay vào đầu cắm (xử lý theo quy trình sử dụng máy thu). - Tại đầu, giữa và cuối thời gian đo phải ghi số liệu nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm đo trên độ cao khoảng 2 m (mẫu sổ đo theo phụ lục 2). - Ghi chép lại sơ đồ ghi chú điểm, tình trạng thời tiết, tình trạng mốc, địa hình, địa vật quanh điểm đo. 8. Khi kết thúc đo máy thu được đưa về trụ sở trung tâm và làm ngay các công việc sau: - Sử dụng chương trình DOWNLOAD-DATA để trút số liệu vào máy tính. - Nạp ngay ắc quy đến tình trạng đầy. - Tính toán khái lược trị đo GPS. III. TÍNH TOÁN KHÁI LƯỢC. Sau khi các máy thu GPS thu đồng thời các tín hiệu vệ tinh chúng ta phải tính toán khái lược để thu được gia số tọa độ DX, DY, DZ giữa các điểm đặt máy thu và ma trận phương sai tương ứng. Quá trình tính toán khái lược phải tuân theo các quy định sau: Bước 1: Chuẩn bị số liệu tính gia số toạ độ giữa 2 điểm đo đồng thời. Trong bước này chúng ta phải đưa vào các tham số sau: - Tên điểm đo thứ nhất, độ cao ăngten máy thu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm. Tên điểm đo thứ hai, độ cao ăngten máy thu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tại điểm. Toạ độ B, L, H của điểm chọn làm điểm đầu cạnh trong hệ toạ độ WGS-84. Bước 2: Tính các lời giải TRIPLE, FLOAT và FIXED theo chế độ tự động, đặt chế độ tính độc lập từng cạnh. Khởi động chương trình tính cạnh (TRIMMBP, WAVE) với các số liệu vào là tập hợp trị đo là hai điểm đo và các tham số phụ như độ cao anten máy thu, nhệt độ, áp suất, độ ẩm tại hai điểm đo, số liệu ra là các lời giải TRIPLE, FLOAD và FIXED chứa kết quả gia số toạ độ, ma trận phương sai và các chỉ số đánh giá sai số RDOP, RMS, riêng lời giải FIXED có thêm chỉ số F. Các lời giải này được ghi vào tập hợp có dạng " TEN.TRP ", " TEN.FLT ", " TEN.FIX" theo mã ASCII và có thể in ra dưới dạng văn bản. Bước 3: Chọn lựa lời giải theo các chỉ tiêu đánh giá sai số. Theo các chỉ tiêu đánh giá sai số trên ta so sánh với mức chuẩn RDOP 0.1 cho cả 3 lời giải RMS <K cho cả 3 lời giải F > 3 - 0,02 D cho lời giải FIXED trong đó D là khoảng cách giữa 2 điểm đo tính bằng km và K là giá trị cho trong bảng sau đây: D (km) 1 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 K 0.020 0.040 0.060 0.075 0.090 0.102 0.115 0.127 0.140 0.155 0.170 Để lựa chọn lời giải chúng ta ưu tiên lời giải FIXED tức là nếu đạt cả 3 tiêu chuẩn F, RDOP, RMS thì chọn lời giải này. Nếu lời giải FIXED không đạt yêu cầu thì phải tính lại theo qui trình bán tự động sẽ trình bày trong bước 5. Nếu lời giải FIXED của qui trình bán tự động cũng không đạt tiêu chuẩn thì ta phải chọn lời giải FLOAT hoặc TRIPLE . Với khoảng cách nhỏ hơn 50 km ta xem xét tới lời giải FLOAT, nếu đạt tiêu chuẩn RMS và RDOP thì tiếp nhận, nếu không đạt tiêu chuẩn thì phải đo lại. Với khoảng cách lớn hơn 50 km ta xem xét tới lời giải TRIPLE với tiêu chuẩn RMS và RDOP giống như lời giải FLOAT. Bước 4: Tính toán theo qui trình bán tự động Nếu lời giải FIXED trong qui trình tính toán tự động không đạt tiêu chuẩn F, RDOP,RMS thì chúng ta phải tính toán lại theo qui trình bán tự động. Qui trình này có các bước sau: a. Khử trị đo bị gián đoạn (CYCLE SLIPS) Một trong những nguyên nhân làm trị đo GPS không đạt tiêu chuẩn là do nhiễu khi thu tín hiệu. Nhiễu quan trọng nhất là nhiễu do môi trường ngoại cảnh gây sự gián đoạn tín hiệu. Tình trạng gián đoạn này cũng được khắc phục trong qui trình tính toán tự động nhưng không triệt để. Khi quá trình đo bị gián đoạn nhiều chúng ta có thể khắc phục triệt để bằng phương pháp đồ thị trên màn hình và các quyết định cụ thể của người điều khiển máy tính. Khi đã khắc phục hết gián đoạn thì đồ thị sẽ báo cho người điều khiển biết. b. Đặt các tham số lọc thích hợp. Ngoài nhiễu gián đoạn tín hiệu, môi trường còn làm tín hiệu bị méo. Tình trạng méo tín hiệu cũng được khắc phục trong qui trình tính toán tự động. Khi tín hiệu bị méo quá lớn chúng ta cũng có thể khắc phục bằng qui trình tính toán bán tự động. Lúc này đòi hỏi người điều khiển máy phải có kinh nghiệm nhiều để xác định các tham só lọc thích hợp. Sau khi tính xong cạnh thứ nhất, sử dụng kết quả tính toạ độ của điểm cuối cạnh làm toạ độ khởi tính cho cạnh thứ 2, cứ như thế tính lan truyền tất cả các cạnh của lưới. Kết quả của quy trình tính toán bán tự động cũng là các tập hợp lời giải FIXED, FLOAT và TRIPLE. Để xác định lời giải chấp nhận được hay không cũng phải căn cứ vào các chỉ tiêu đánh giá sai số F, RDOP, RMS đã nói ở trên. Quy trình tính toán bán tự động đòi hỏi kinh nghiệm nhiều hơn quy tắc. Nếu chúng ta chưa có người sử dụng phần mềm GPS có kinh nghiệm thì chúng ta có thể quyết định đo lại. IV. BÌNH SAI LƯỚI GPS. Sau khi tính toán khái lược xong toàn bộ trị đo trong lưới chúng ta tiến hành bình sai toàn lưới. Tùy theo yêu cầu của hệ quy chiếu chúng ta quyết định phương án bình sai thích hợp. Sau đây sẽ giới thiệu các bước chính của quy trình công nghệ theo phần mềm bình sai của hãng Trimble Navigation. Bình sai mặt phẳng. Để tiến hành bình sai lưới GPS chúng ta thực hiện các bước sau: Bước 1: xây dựng lưới (GPSNET): Đưa toàn bộ các tập tin tính cạnh (tập tin *.ssf) vào thư mục tương ứng và chạy thực đơn xây dựng lưới; Kiểm tra toàn bộ thông tin về lưới đã được lập, đặc biệt là kiểm tra sai số khép. Bước 2: bình sai sơ bộ lưới: Từ thực đơn xây dựng lưới (GPSNET) chuyển sang thực đơn bình sai lưới (Network adjustment); Định nghĩa hệ quy chiếu (Datum Definition) Định nghĩa hệ toạ độ trắc địa (geographic) hoặc hệ toạ độ phẳng; Nhập toạ độ của một điểm khởi tính nằm ở trung tâm lưới; Đặt chế độ trọng số chung cho toàn lưới (All GPS Solutions - Default), đặt chế độ chỉ bình sai mặt phẳng; Tiến hành bình sai lưới; Vào thực đơn hiển thị kết quả (Display) để kiểm tra, so sánh kết quả bình sai với toạ độ của các điểm khởi tính khác. Thông thường nếu độ lệch >0.3m thì xem xét để không sử dụng điểm đó làm điểm khởi tính. Bước 3: bình sai lưới: Nhập toạ độ của tất cả các điểm khởi tính; Đặt chế độ tự xác định trọng số cho từng trị đo GPS (Each GPS Solutions - Alternative), đặt chế độ bình sai: bình sai mặt phẳng; Tiến hành bình sai lưới cho đến lúc sai số trung phương trọng số đơn vị bằng 1 (Reference Factor = 1). Bước 4: Biên tập kết quả đo theo mẫu. 2. Bình sai độ cao : Bình sai độ cao tiến hành theo các bước sau đây: Bước 1 và bước 2: thực hiện như bước 1 và bước 2 phần bình sai mặt phẳng. Lưu ý ở bước 2 phải nhập độ cao trắc địa của điểm khởi tính và sau khi bình sai sơ bộ tiến hành kiểm tra xem xét độ cao trắc địa của các điểm khởi tính khác. Thông thường nếu độ lệch H >0.5 m thì xem xét để không sử dụng điểm đó làm điểm khởi tính. Bước 3: Từ thực đơn bình sai chuyển sang thực đơn lưới mặt đất (Terrestrial Network Module), vào thực đơn Geoid Module, vào tiếp “Load Geoid Model” để nhập mô hình geoid lựa chọn. Khi chọn mô hình EGM96 thì nhập tên WW15MGH, nếu chọn mô hình Geoid địa phương hoặc mô hình Geoid xây dựng riêng cho lưới trắc địa đang bình sai thì nhập tên mô hình đó. Tiếp theo vào thực đơn “Estimate Geoid Height” chọn “Creat DCO File” và “Create Network Point Listing”; quay trở lại thực đơn trước (Geoid Model) để chuyển sang thực đơn “Terrestrial Observations Module”. Vào thực đơn “Station Coordinates”, chọn “Modify Station Data”, nhập độ cao thuỷ chuẩn của 1 điểm trong lưới. Quay lại thực đơn “Terrestrial Observations Module”, chọn “Computation Utilities”, chọn tiếp “Compute Network”, qauy trở lại thực đơn “Terrestrial Observations Module” và chọn thực đơn “Network Adjustment Module”. Bước 4: bình sai độ cao: Nhập độ cao trắc địa H và độ cao thuỷ chuẩn h của tất cả các điểm khởi tính đã lựa chọn; Đặt chế độ tự xác định trọng số cho từng trị đo GPS và Geoid Model (Each GPS Solutions - Alternative), đặt chế độ bình sai: bình sai độ cao; Tiến hành bình sai lưới cho đến lúc sai số trung phương trọng số đơn vị bằng 1 (Reference Factor = 1). Bước 5: Biên tập kết quả đo theo mẫu. TÀI LIỆU THAM KHẢO Baran L. W., ...., National Control Network for Poland, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Becker M., ..., Realization of the ITRF in Thailand and Malaysia by use of a combined network for geodinamics and national survey, PCGIAP-WG1 worshop, Canbera, 1998. Brunner F. K., On the deformation of GPS network, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. David W., Guide to GPS positioning, Canadian GPS Associates, 5-1987, Bản dịch của Lê Văn Hưng, NXB KHKT, 1997. Dodson A. H., The Status of GPS for Height Determination, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Hirsch O., Bautsch P., Geodetic Measurements at the North-Anatolian Fault-Zone near Gerede (Turkey), FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Kinlyside D. A., The Geocentric Datum of Australia - Transform or Readjust?, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Lindstrot W., The German Reference Frame DREF 91, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Seeger H., The New European Refernce Datum and it’s Relationship to wgs84, FIG-XX Congress, 1994, 5 Commission. Trimble Navigation, Use’s Manual Trimvec, Trimnet+, GPServey, Geomatic Office. Đặng Hùng Võ (chủ biên), Trần Bạch Giang (thư ký) và những người khác, Báo cáo khoa học xây dựng Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia, Tổng cục Địa Chính, Hà Nội, 1999. Trần Bạch Giang, báo cáo kết quả đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm ứng dụng công nghệ GPS trong đo độ cao”, Hà Nội, 2000.