1. 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;
2. 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.
3. 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
4. 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…
5. 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 L 1 và L2 rất ổn định và nhất
quán
6. 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
7. 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
8. CÁC KỸ THUẬT ĐO GPS
• Cấu trúc mã • Phase sóng mang
• Kỹ thuật đo mã (code)
ρ = (t + ∆t ).c • Kỹ thuật đo phase
2π
φ= ( R + C.∆t − N .λ )
λ
ρ = ρ + c(dt − dT) + d ion + d trop
φ = -(f/c).ρ – f.(dt-dT) –(f/c)(-dion + dtrop)
9. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS
• Phương pháp tuyệt đối • Phương pháp tương đối
ρ 1 = ( X S1 − X ) + (YS 2 − Y ) + ( Z S 3 − Z ) + C.∆t
2 2 2 φ2j (t 2 ) − φ1j (t1 ) = ∆φ j (t1 )
ρ 2 = ( X S 2 − X ) 2 + (YS 2 − Y ) 2 + ( Z S 2 − Z ) 2 + C.∆t φ k (t i ) −φ j (t i ) = ∆2φ jk (t i )
ρ 3 = ( X S 3 − X ) 2 + (YS 3 − Y ) 2 + ( Z S 3 − Z ) 2 + C.∆t
∆2φ jk (t i +1 ) − ∆2φ jk (t i ) = ∆3φ jk
ρ 4 = ( X S 4 − X ) 2 + (YS 4 − Y ) 2 + ( Z S 4 − Z ) 2 + C.∆t
12. 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
13. 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
14. 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)
δ = DOP × δo
Các loại trị số DOP:
− VDOP.δo : là độ suy giảm chính xác trong
cao độ.
− HDOP.δo : là là độ suy giảm chính xác mặt
phẳng 2D.
− PDOP.δo : là là độ suy giảm chính xác vị trí
không gian 3D.
− TDOP.δo : là độ suy giảm chính xác trong
thời gian.
− HTDOP.δo : là độ suy giảm chính xác vị trí
mặt phẳng và thời gian.
GDOP.δo : là độ suy giảm chính xác không
gian 3D và thời gian
15. ẢNH HƯỞNG CẤU HÌNH VỆ TINH
PDOP<= 5: Khi lập
lưới khống chế;
PDOP<=7: khi đo vẽ
bản đồ
16. KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DGPS
(Differential GPS)
Gồm 2 trạm:
Trạm Base (Beacon)
đặt trên điểm đã biết
tọa độ WGS 84
Trạm Rover (đặt
trên tàu, máy bay)…
Radio link: Truyền
số hiệu chỉnh từ trạm
base đến rover
17. 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
18. Hệ thống định vị OmniSTAR
• Là hệ thống WADGPS do hãng FUGRO
cung cấp
• Dùng vệ tinh IMMASAT để cải chính số
liệu
22. 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)
23. 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.
24.
25.
26. 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)
27. 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
28. 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)
29. 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
30. 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
31. 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
32. 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
33. 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.
34. 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;
35. 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.
36. Đồ hình lưới
• Dạng tam giác
• Dạng đường chuyền
• Dạng kết hợp
37. Ước tính độ chính xác lưới TK
• Chọn ẩn số là toạ độ KG của các điểm TK: τ X ,τ Y ,τ Z i i i
• Trị đo là các baseline vector: ∆X ij , ∆Yij , ∆Z ij
• Phương trình số hiệu chỉnh trị đo: V∆X = τ X − τ X + l∆X ;
ij j i ij
V∆Yij = τ Y j − τ Yi + l∆Yij ;
V∆Z ij = τ Z j − τ Z i + l∆Z ij .
• Lập ma trận hệ số A, với các hệ số +1, -1, 0 2
µ
• Lập ma trận trọng số P, với các hệ số Pi = 2
mi
với µ được lấy từ SS do thiết bị đo trên khoảng cách trung
bình của từng cấp hạng. Ví dụ: µ = a(mm) + b.Stb .
mi: tính theo số gia toạ độ ∆X ij , ∆Yij , ∆Z ij m∆X = a/ 3 + b. ∆X ij ;
ij
m∆Yij = a/ 3 + b. ∆Yij ;
m∆Z ij = a/ 3 + b ∆Z ij .
39. Ước tính độ chính xác lưới TK
• Lập ma trận chuẩn tắc N: N = AT PA.
• Tính ma trận trọng số đảo: QXYZ = N −1 = ( AT PA) −1.
• Tính SSTP vị trí điểm i trong không gian:
m X i = µ QX ii ; mYi = µ QYii ; mZ i = µ QZ ii ;
M P i = m X i + mYi + mZ i .
2 2 2
• Tính SSTP vị trí mặt bằng điểm QNEH = T .QXYZ .T T
− sin φi . cos λi − sin φi . sin λ cos φi
q Xi q XiYi q XiZi
T = − sin λi cos λi 0
Q XYZ I = qYi qYiZi
cos φ . cos λ
sym cos φi . sin λi sin φi
q Zi i i
• SSTP vị trí mặt bằng: mP = µ m N + mE
2 2
với mEi = µ QEii ; mN i = µ QNii
40. Ước tính độ chính xác lưới TK
• Sai số trung phương cạnh Sij và phương vị Aij
1
m FA = µ = µ FA QFA ;
T
PFA
1
mFS = µ = µ FST QFS .
PFS
• Hàm trọng số cạnh FSij = cij X j + d ijY j + eij Z j − cij X i − d ijYi − eij Z i ,
∆X ij ∆Yij ∆Z ij
cij = ; d ij = ; eij = .
Sij Sij Sij
∆Eij
sij = ∆N ij + ∆Eij ; tan α ij =
2 2
=> f sij , fα ij
Hoặc ∆N ij
msij = µ f sT QNEH f sij ; mα ij = µ fαTij QNEH fα ij
ij
2
mα ij
SSTP vị trí tương hỗ: M ij = msij +
2
ρ sij
41. 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;
42. 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
43. 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”
44. 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
45. 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!
46. 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;
47. 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….
