Embed Size (px)
Citation preview
Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
• Giới thiệu về về các hệ thống định vị toàn cầu hiện nay;
• Giới thiệu về GPS;
• Các kỹ thuật đo GPS;
• Các phương pháp định vị;
• Các nguồn sai số trong GPS;
• Thực tập;
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
• Được thiết kế và phát triển từ năm 1973 bởi Bộ Quốc phòng Mỹ
• Năm 1978, phóng những vệ tinh đầu tiên.• Hệ thống định vị toàn cầu GPS có 3 bộ phận:
Bộ phận không gian.
Bộ phận điều khiển.
Bộ phận sử dụng.
Bộ phận không gian
• Gồm 32 vệ tinh làm việc và dự phòng được đặt lên 6 quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt xích đạo (Block II).
• Mỗi quỹ đạo là một vòng tròn với cao độ danh nghĩa là 20183 km (so với mực nước biển trung bình)
• Chu kỳ vệ tinh 12h
• Block I, II, IIA, IIM, IIR-M
Bộ phận không gian• Bảo đảm được yêu cầu là bất kỳ lúc nào cũng, bất kỳ ở đâu
trên trái đất cũng nhìn thấy được ít nhất 4 vệ tinh• Trên mỗi vệ tinh trang bị 4 đồng hồ nguyên tử cesium (là
loại đồng hồ cực kỳ chính xác 10-12). • Đồng hồ sản sinh ra dao động cơ sở có tần số fo = 10.23
MHz • Có 2 mã đo:
– Mã C /A có tần số 1,023 MHz = fo/10 và có chiều dài 1 msec
– Mã P có tần số 10,23 MHz = fo và có chiều dài 266, 4 ngày
• 2 mã đo được điều biến bởi 2 sóng mang L1 = 1575.42 MHz (mã P và C/A) và L2 = 1227.60 MHz (chỉ có mã P)
• Cả 2 sóng mang L1, L2 điều biến bằng các thông tin đạo hàng bao gồm: Ephemeride của vệ tinh thời gian, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, tình trạng của hệ thống vệ tinh vv…
Bộ phận không gian Mỗi vệ tinh có trọng lượng 930 Kg và có tuổi thọ 7.5 năm.
Nếu vệ tinh nào hỏng đều được thay thế ngay để bảo đảm tính chặt chẽ cấu trúc của hệ thống
Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS:- Nhận và lưu giữ lịch vệ tinh mới được gởi lên từ trạm điều khiển- Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bằng các bộ vi xử
lý đặt trên vệ tinh - Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng hai đồng hồ
nguyên tử Cesium và 2 đồng hồ hồng ngọc Rubidium- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của trạm mặt đất
- Truyền thông tin và tín hiệu trên 2 tần số L1 và L2 rất ổn định và nhất quán
Bộ phận điều khiển mặt đất
• Mục đích của hệ thống điều khiển là hiển thị sự hoạt động của các vệ tinh, xác định quỹ đạo của chúng, xử trí các đồng hồ nguyên tử, truyền các thông tin cần phổ biến lên các vệ tinh, cập nhật 3 lần/ ngày
Bộ phận người sử dụng
• Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự
• Phân loại máy thu: có 4 nhóm máy thu GPS như sau:• Nhóm 1: Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C /A trên tần số
L1. • Nhóm 2: Máy thu xử lý mã C /A và phase sóng mang L1
thường gọi tắt là máy thu 1 tần số.• Nhóm 3: Máy thu xử lý mã C /A và phase sóng mang L1,
L2 thường gọi tắt là máy thu 2 tần số • Nhóm 4: Máy thu xử lý mã Y và 2 phase sóng mang L1,
L2 chỉ có quân đội Mỹ và đồng minh mới có
CÁC KỸ THUẬT ĐO GPS• Cấu trúc mã
• Kỹ thuật đo mã (code)
• Phase sóng mang
• Kỹ thuật đo phase)..(
2 NtCR
ctt ).(
tropion dddT)c(dt ρ = -(f/c). – f.(dt-dT) –(f/c)(-dion + dtrop)
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS
• Phương pháp tuyệt đối • Phương pháp tương đối
tCZZYYXX SSS .)()()( 23
22
21 1
tCZZYYXX SSS .)()()( 22
22
22 2
tCZZYYXX SSS .)()()( 23
23
233
tCZZYYXX SSS .)()()( 24
24
244
)()()( 1112j
2 ttt jj
)()()( 2i
jki
ji
k ttt jk
ijk
ijk tt 32
12 )()(
ĐỊNH VỊ TĨNH VÀ ĐỘNG
XỬ LÝ TỨC THỜI VÀ HẬU KỲ
CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐỊNH VỊ GPS
• Sai số do hệ thống:– Sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu
– Sai số quỹ đạo của vệ tinh
CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐỊNH VỊ GPS
• Sai số do môi trường– Sai số do tầng đối lưu và tầng điện ly:
– Sai số do hiện tượng đa đường truyền
CÁC NGUỒN SAI SỐ TRONG ĐỊNH VỊ GPS
• Sai số do cấu hình vệ tinh: được thể hiện bằng các yếu tố độ suy giảm được thể hiện bằng các yếu tố độ suy giảm chính xác DOP (Dilution Of Precision)
= DOP o Các loại trị số DOP:
VDOP.o : là độ suy giảm chính xác trong cao độ.
HDOP.o : là là độ suy giảm chính xác mặt phẳng 2D.
PDOP.o : là là độ suy giảm chính xác vị trí không gian 3D.
TDOP.o : là độ suy giảm chính xác trong thời gian.
HTDOP.o : là độ suy giảm chính xác vị trí mặt phẳng và thời gian.
GDOP.o : là độ suy giảm chính xác không gian 3D và thời gian
ẢNH HƯỞNG CẤU HÌNH VỆ TINH
PDOP<= 5: Khi lập lưới khống chế;
PDOP<=7: khi đo vẽ bản đồ
KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DGPS(Differential GPS)
Gồm 2 trạm:Trạm Base (Beacon) đặt trên điểm đã biết tọa độ WGS 84Trạm Rover (đặt trên tàu, máy bay)…Radio link: Truyền số hiệu chỉnh từ trạm base đến rover
Phân loại
• Theo thời điểm xử lý số liệu: – Cải chính thời gian thực– Hậu xử lý
• Theo tầm hoạt động:– DGPS tầm ngắn : ~ 60km => ss~ 0.5-1.0m– DGPS tầm trung (BEACON DGPS hay LADGPS):
<=500km . Ss ~1-3m– WADGPS (Wide area DGPS hoặc Satellite DGPS):
toàn cầu (kết hợp với vệ tinh địa tĩnh truyền số cải chính). Độ chính xác thay đổi tùy theo dịch vụ sử dụng
Hệ thống định vị OmniSTAR
• Là hệ thống WADGPS do hãng FUGRO cung cấp
• Dùng vệ tinh IMMASAT để cải chính số liệu
Mạng lưới các trạm theo dõi
Vùng Đông Nam Á
Các vệ tinh địa tĩnh
Các dịch vụ cung cấp
• VBS (Virtual Base Station) : Đây là dịch vụ sử dụng công nghệ DGPS truyền thống. Độ chính xác đạt được 1-5m. (miễn phí)
• HP (High Performance): toạ độ điểm đo có độ chính xác mặt bằng <10 cm và cao độ <15 cm.
• XP (Extended Position)
Kỹ thuật định vị RTK
• RTK: Real Time Kinematic => Định vị tương đối động theo trị đo phase.
• Hệ gồm 1 trạm Base , 1 trạm Rover và radio link (ở tần số UHF – 400MHz).
• Sử dụng trị đo pha để giải ra đường đáy như cách thức đo tương đối tĩnh => vì theo thời gian thực => yêu cầu số vệ tinh quan sát được phải lớn để giải đa trị được nhanh chóng và chính xác.
Kỹ thuật định vị RTK
• Radiolink UHF chuyển số liệu phase từ Base =>Rover, giải đa trị tức thời tại Rover.
• Các dạng thức đo động– Stop and Go: Promark 2, 3, Leica System….. – RTK: Topcon Legacy, Hiper; Trimble 4600s,
4800, 5700..; Leica system 510,530,900…Zmax (của Thale Navigation)
Độ chính xác của phương pháp RTK
• Theo phương ngang: cỡ 1 cm
• Theo phương đứng: cỡ 1.5-2 cm
• Độ chính xác phụ thuộc vào:– Số lượng vệ tinh, sự thông thoáng, khoảng thời
gian log dữ liệu (epoch) => cần lời giải fix– Tầm hoạt động (khoảng cách từ Base =>
Rover)– Phần mềm giải đa trị
Ứng dụng của phương pháp RTK
• Đo vẽ thành lập bản đồ tỷ lệ lớn
• Bố trí công trình
• Công tác thủy đạc trên sông hoặc ven biển
• Trường hợp xa bờ => dùng hệ Omni STAR dịch vụ HP (độ chính xác độ cao cở vài cm)
Các dạng chuẩn giao tiếp dữ liệu
• Chuẩn RINEX: gồm 2 file (.O và .N) => dùng trong xử lý phase (trong định vị tương đối dùng trị đo phase) => đây là chuẩn dữ liệu đầu ra không phụ thuộc vào loại máy thu => các phần mềm xử lý trị đo phase đều nhận dạng được dữ liệu này
• Thông điệp chuẩn NMEA – 0183 => xuất dữ liệu từ máy thu GPS => máy tính
Các loại thông điệp NMEA-0183
• RMC: time, date, position, course and speed data ( only with Navigation Package Option)
• $GPRMC, 152101, A, 3723.454208, N, 12202.269759, W, 0.00, 0, 210593, , *24
• WPL: Latitude and longitude of specified waypoint (only with Navigation Package Option)
• $GPWPL, 3723.333, N, 12202.2222, W, 0001*5E
Các loại thông điệp NMEA-0183
• ZDA: UTC day, month, and year, and local time zone offset
• $GPZDA , 152145, 21, 05, 1993, -7, 00*50• GGA: time. position, and fix related data• $GPGGA, 151924, 3723.454487, N, 12202.269799,
W, 2, 09, 0.9, -17.49, M, -25.67, M, 1, 0000*57• GLL: Position fix, time of position fĩ, and status• $GPGLL, 3723.4543333, N, 12202.269667, W,
151933, A*3E
Thông điệp RTCM – 104 INPUT/ OUTPUT
• Là các thông điệp chuẩn ứng dụng trong việc truyền tải tín hiệu cải chính vi sai từ trạm tĩnh sang trạm động trong phương pháp định vị DGPS
• Có 16 dạng phát số cải chính vi sai
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀO XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ TOẠ
ĐỘ• Đặc điểm của công tác lập lưới khống chế bằng GPS• Thiết kế lưới khống chế toạ độ đo bằng GPS;• Đánh giá độ chính xác lưới thiết kế;• Quy trình đo đạc ngoài thực địa;• Xử lý số liệu đo GPS;• Bình sai, ghép nối với lưới toạ độ mặt đất.
Đặc điểm của việc thiết kế lưới GPS
• Phụ thuộc vào số lượng máy đo. Có n máy đo đồng thời thì có n-1 đường đáy độc lập;
• Phụ thuộc vào số đường đáy độc lập cần đo;• Lưu ý tính thông hướng từng cặp điểm để dễ dàng phát
triển lưới cấp thấp hơn;• Độ chính xác của lưới thiết kế phụ thuộc vào cấu hình,
thiết bị, thời gian đo, cấu hình vệ tinh…;• Cần phải lập lịch đo chi tiết căn cứ theo vị trí địa lý,
ngày giờ đo sao cho PDOP 5.• Chọn điểm phải thông thoáng, để tín hiệu từ vệ tinh đến
máy thu là cực đại;
Thiết kế lưới khống chế toạ độ đo bằng GPS
• Thu thập và thống kê các tài liệu trắc địa hiện có trên khu đo: lưới tọa độ (cấp “0”, hạng I, II…, cao độ và BĐĐH)
• Xác định đồ hình lưới: đồ hình tam giác, đa giác theo chỉ tiêu của các cấp hạng quy phạm;
• Đánh giá độ chính xác lưới thiết kế: theo các đường đáy => lập mô hình đánh giá SS => SSTP vị trí điểm, SSTP tương đối cạnh, SSTP phương vị cạnh trong không gian;
• Chuyển về mặt tham chiếu (Ellipsoid VN2000, mặt phẳng chiếu UTM);
• So sánh chỉ tiêu trong quy phạm => kết luận về lưới thiết kế.
Đồ hình lưới
• Dạng tam giác• Dạng đường chuyền• Dạng kết hợp
Ước tính độ chính xác lưới TK• Chọn ẩn số là toạ độ KG của các điểm TK:
• Trị đo là các baseline vector:
• Phương trình số hiệu chỉnh trị đo:
• Lập ma trận hệ số A, với các hệ số +1, -1, 0
• Lập ma trận trọng số P, với các hệ số
với được lấy từ SS do thiết bị đo trên khoảng cách trung bình của từng cấp hạng. Ví dụ:
mi: tính theo số gia toạ độ
iii ZYX ,,
ijijij ZYX ,,
.
;
;
ijijij
ijijij
ijijij
ZZZZ
YYYY
XXXX
lV
lV
lV
2
2
ii m
P
.b.Sa(mm) tb
ijijij ZYX ,,
.b3a/
;b.3a/
;b.3a/
ijZ
ijY
ijX
Zm
Ym
Xm
ij
ij
ij
Ước tính độ chính xác lưới TK• Dạng ma trận P:
21
2
21
2
21
2
212
2
212
2
212
2
00...000
00...000
00...000
.........
.........
.........
000...00
000...00
000...00
0
nnZ
nnY
nnX
Z
Y
X
m
m
m
m
m
m
P
Ước tính độ chính xác lưới TK• Lập ma trận chuẩn tắc N: • Tính ma trận trọng số đảo:• Tính SSTP vị trí điểm i trong không gian:
• Tính SSTP vị trí mặt bằng điểm
• SSTP vị trí mặt bằng:
với
.PAAN T .
11 PAANQ TXYZ
.
;;;
222
iii
iiiiiiiii
ZYXiP
ZZYYXX
mmmM
QmQmQm
iiiii
ii
iiii
T
sinsin.coscos.cos
0cossin
cossin.sincos.sin
Zi
YiZiYi
XiZiXiYiXi
XYZ
qsym
qqq
QI
TXYZNEH TQTQ ..
22ENP mmm
iiiiii NNEE QmQm ;
Ước tính độ chính xác lưới TK• Sai số trung phương cạnh Sij và phương vị Aij
• Hàm trọng số cạnh
Hoặc
SSTP vị trí tương hỗ:
.;;
,
ij
ijij
ij
ijij
ij
ijij
iijiijiijjijjijjijS
S
Ze
S
Yd
S
Xc
ZeYdXcZeYdXcFij
.1
;1
ST
SF
F
ATA
FF
QFFP
m
QFFP
m
S
S
A
A
ijijijijijij
ijij
fQfmfQfm
ffN
EENs
NEHT
sNEHT
ss
sij
ijijijijij
;
,tan;22
2
2
ijsij s
mmM ij
ij
QUY TRÌNH ĐO ĐẠC NGÒAI THỰC ĐỊA
• Lập lịch đo GPS: Chọn thời điểm PDOP < 5, số lượng vệ tinh >4;
• Tổ chức ca đo (section): Theo số lượng đường đáy, số máy thu, số điểm lập mới;
• Thời gian thu tín hiệu: phụ thuộc vào cấp KC, thiết bị; khỏang thu tín hiệu (epoch): 15-30s;
Lập lịch đo
• Bản lịch vệ tinh phải mới (<30 ngày)
• Cài đặt elevation mask (150)
• Chọn ngày đo
• Lập lịch đo theo vị trí trung tâm khu đo
• Chọn thời điểm đo có PDOP < 5, số lượng vệ tinh >4. Lưu các thời điểm có giá trị PDOP thay đổi đột biến
Tổ chức ca đo
• Lưu ý về số đường đáy độc lập trong 1 ca đo (phụ thuộc vào số máy)
• Bố trí ca đo sao cho việc di chuyển máy, số ca đo ít nhất
• Thời gian thu tín hiệu phụ thuộc vào cấp hạng. Lưu ý phải log dữ liệu sớm hơn 5’ so với thời gian qui định và tắt máy trể hơn 5’
• Cài đặt 1 epoch từ15”-30”
XỬ LÝ KẾT QUẢ• Download dữ liệu.
– Nếu là cùng 1 loại máy, cùng phần mềm => dùng file đo của máy thu;
– Nếu có nhiều loại máy (khác hãng), khác phần mềm => chuyển file đo => RINEX
• Xử lý từng đường đáy đơn độc lập (chọn xử lý static relation) => chỉ chọn nghiệm fix!
• Đánh giá độ chính xác trị đo trước bình sai– Tính sai số khép vòng fx,fy,fz và fs
– So sánh với qui phạm, loại bỏ các vòng khép ko đạt yêu cầu
XỬ LÝ KẾT QUẢ
• Bình sai toàn bộ mạng lưới theo phương pháp bình sai lưới tự do.
• Chuyển tòan bộ kết quả bình sai về hệ tọa độ địa phương dựa trên các điểm trùng (tối thiểu 2 điểm)
• Xuất kết quả theo hệ địa phương (BLH, x,y,H)
Hoặc• Fix một số điểm cứng (theo mặt bằng x,y và có thể h) • Bình sai lưới phụ thuộc. Phương pháp này thích hợp
cho lưới nhỏ!
QUY TRÌNH ĐO ĐẠC NGÒAI THỰC ĐỊA (đối với máy cầm tay)
• Setup các thông số cho máy như: hệ qui chiếu, thời gian log dữ liệu, loại dữ liệu đo (waypoint, track), màn hình hiển thị (tọa độ, phương vị, vận tốc…)..;
• Đặt chế độ đo GPS (default) hoặc DGPS (nếu máy có chức năng đo DGPS + beacon antena;
• Tiến hành đo đạc thu thập dữ liệu theo những điểm đặc trưng;
XỬ LÝ KẾT QUẢ
• Download dữ liệu• Chuyển đổi dữ liệu sang hệ tọa độ địa phương
(nếu cần)• Tính chuyển tọa độ trên mặt phẳng chiếu• Đưa toàn bộ dữ liệu đo lên màn hình, kết nối với
các dữ liệu thuộc tính khác• Xử lý các bài toán liên quan như: tìm đường đi,
dẫn đường, cảnh báo….
