|
Hiện nay, với thế mạnh sở hữu trang thiết bị công nghệ hiện đại nhất trong lĩnh vực định vị GPS (8 máy thu GPS 2 tần số thế hệ mới của Topcon, 2 máy thu GPS 1 tần số Ashtech Promark2, 1 cặp máy thu GPS Omnistar của Hemisphere, ...) và thế mạnh trong công nghệ đo sâu (máy đo sâu 1 tần số Odom Hydrotrac, máy đo sâu 2 tần số Odom Echotrac MKIII, máy đo sâu đa tia Multibeam Odom ES3M (ES3 + Motion Sensor), thiết bị đo độ rung lắc của tàu khảo sát Motion Sensor, máy đo vận tốc âm thanh, ...), thiết bị quét Side Scan Sonar để nhận biết hình dạng và kích thước của vật liệu đáy. Ngoài ra, để đạt được kết quả tốt nhất trong công tác đo sâu, chúng tôi còn sử dụng kỹ thuật đo sâu kết hợp thêm kỹ thuật đo GPS. RTK (Real Time Kinematic).
Hình ảnh mô phỏng công tác đo sâu dùng máy đo đa chùm tia Multibeam ở Địa Hải
Kỹ thuật đo sâu kết hợp thiết bị quét Side Scan Sonar để kiểm tra kích thước vật liệu đáy ở Địa Hải
Sau đây là phần giới thiệu tổng quan về kỹ thuật đo GPS RTK hiện đại này :
KỸ THUẬT DGPS RTK (Real Time Kinematic)
Kỹ thuật đo RTK được thiết kế như ý tưởng ban đầu là nhằm đạt độ chính xác cao nhất và để đặc biệt ứng dụng trong lĩnh vực đo sâu hồi âm dùng kỹ thuật DGPS, trị đo pha sóng tải.
Hình 1. Độ chính xác khi dùng kỹ thuật định vị DGPS thông thường
Tổng quát, trong kỹ thuật đo này, người dùng cần cài đặt máy thu GPS trên 1 trạm đã biết tọa độ và độ cao (trạm base), và máy thu còn lại được lắp đặt tại trạm di chuyển Rover và cả 2 máy thu này cần phải nhận cùng một tín hiệu GPS tại cùng một thời điểm.
Số nguyên đa trị N (ambiguty interger) được giải bằng cách dùng dữ liệu được gửi từ trạm Base (trạm cơ sở - đã biết tọa độ, độ cao) tới trạm Rover (trạm di động), và việc giải tham số đa trị này được thực hiện ngay trong khi trạm Rover di chuyển.
Hình 2. Độ chính xác khi dùng kỹ thuật định vị DGPS RTK
Trị đo pha sóng tải DGPS RTK có khả năng cung cấp độ chính xác dưới dm (~cm) cho trạm Rover trên tàu khảo sát ở cả hai thành phần mặt bằng và độ cao. Kỹ thuật này có thể cung cấp cao độ của tàu khảo sát ngay thời gian thực.
Hình 3. Nguyên lý của phép định vị RTK đơn giản
TRẠM THAM KHẢO TRÊN BỜ
Trạm tham khảo trên bờ cần phải được định vị trên một mốc đã biết tọa độ và cao độ. Tuy nhiên, máy thu tại trạm tham khảo phải có khả năng thu nhận tín hiệu ở cả trị đo pha và trị đo giả cự ly của vệ tinh GPS. Trạm tham khảo sẽ tập hợp trị đo pha, trên cả 2 tần số L1/L2 dùng kỹ thuật tương quan chéo. Bộ xử lý tại trạm tham khảo sẽ tính toán khoảng cách giả và số hiệu chỉnh pha sóng tải, và định dạng dữ liệu theo chuẩn phù hợp với việc truyền tải dữ liệu. Thông thường, các số hiệu chỉnh sẽ được định dạng theo chuẩn RTCM SC-104 v.2.1 để truyền đến trạm Rover ở trên tàu.
THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG
Hệ thống định vị RTK cần phải có thiết bị truyền tín hiệu với tốc độ nhỏ nhất là 4800. Sở dĩ phải cần có tốc độ cao như vậy để khử nhiều hệ thống phát tín hiệu tần số thấp, và giới hạn tầm phủ của các hệ thống phát tín hiệu tần số cao. Thông thường, hệ thống truyền thông UHF và VHF sẽ được dùng cho việc truyền tín hiệu trong kỹ thuật RTK.
THIẾT BỊ NGƯỜI DÙNG
Một máy vi tính để thu nhận và xử lý dữ liệu đo sâu. Hai thiết bị có cài sẵn phần mềm tích hợp để điều khiển máy thu GPS ở trạm base và trạm rover (thông thường ở hệ thống RTK của Topcon dùng thiết bị FC-2000, FC-200, hay FC-1000,… để điều khiển).
 
Hình 4. Thiết bị điều khiển tích hợp sẵn phần mềm TopSURV của Topcon (Địa Hải đang sử dụng)
Một thiết bị truyền thông để chuyển đổi số hiệu chỉnh tới trạm Rover trên tàu khảo sát.
 
Hình 5. Thiết bị truyền thông Radio Link Pacific Crest (Địa Hải đang sử dụng)
Hình 6. Thiết bị GPS 2 tần số của hãng Topcon (Địa Hải đang sử dụng)
Thực tế, có 3 điều quan trọng cần lưu ý trong kỹ thuật đo này :
+ Cả 2 trạm base và rover phải quan trắc cùng số vệ tinh chung.
+ Trạm base phải gửi số hiệu chỉnh về vị trí và trị đo vệ tinh của nó tới trạm rover.
+ Trạm rover kết hợp các thông số được gửi từ trạm base với trị đo của chính nó để tính ra tọa độ và cao độ của trạm Rover.
Ngoài ra, do đặc tính độc đáo là cho kết quả tọa độ & độ cao ngay thời gian thực mà không cần phải qua một quá trình hậu xử lý nên nó còn được ứng dụng trong đo địa hình trên bờ.
Hình 7. Kỹ thuật xác định độ cao trên tàu khảo sát
Kỹ thuật RTK cho phép di chuyển máy thu ở trạm Rover trên tàu sau khi trị nhập nhằng (Integer Ambiguity - N) giữa vệ tinh và máy thu được giải thành công. Tuy nhiên, với các hệ thống GPS hiện đại ngày nay (đặc biệt là máy thu 2 tần số), việc giải đa trị thường xảy ra rất nhanh (khoảng vài giây), nên thông thường sau khi cài đặt các thiết bị, và phát tín hiệu thì hầu như lập tức ta có được nghiệm fixed ở trạm Rover. Vì vậy, cao độ an ten luôn luôn có được ngay thời gian thực. Khi đó, ảnh hưởng khi triều lên/ xuống, hay do sóng ảnh hưởng đến cao độ an ten bị thay đổi thì với kỹ thuật RTK đã được khắc phục triệt để.
Hình 8. Nguyên lý kỹ thuật đo RTK
Thực tế sử dụng kỹ thuật RTK cho nhiều dự án, chúng tôi nhận thấy, với kỹ thuật đo RTK OTK (On-the-fly) tiêu chuẩn với cự ly khoảng 15 km, có thế đạt được trong sai số 1-3 cm thành phần X, Y và 2-5 cm thành phần Z (độ cao).
Hiện nay, để phục vụ cho các dự án đo sâu xa bờ (Dự án Tổ hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn-Thanh Hóa, đo tuyến đường ống pipeline cách bờ > 40 km), Địa Hải đã trang bị thêm thiết bị REPEATER TRL-35 Radio của hãng Topcon.
Hình 9. Thiết bị tăng công suất tín hiệu RTK (Repeater TRL-35) của hãng Topcon
Đây là một thiết bị dùng để tăng công suất phát của tín hiệu RTK mà vẫn duy trì độ chính xác khi trạm Rover cách xa trạm Base với khoảng cách lớn (>35 km).
Qua dự án Tổ hợp lọc hóa dầu Nghi Sơn, với cự ly đo cách bờ hơn 40 km, chúng tôi nhận thấy, thiết bị hoàn toàn đạt được độ chính xác 5 cm thành phần X, Y và 10 cm thành phần Z (độ cao).
-----> Đây là một kết quả tuyệt vời về độ chính xác định vị cả về thành phần mặt bằng & độ cao mà Công ty TNHH Địa Hải đã thực hiện được trong thời gian qua.
Như vậy, với kỹ thuật hiện nay có được, Địa Hải hoàn toàn có thể thực hiện đo sâu đạt độ chính xác cao trong điều kiện sóng gió (sử dụng kết hợp thiết bị đo độ rung lắc của tàu khảo sát Motion Sensor) và cách xa bờ đến hơn 40 km (sử dụng kết hợp thiết bị khuếch đại công suất phát tín hiệu RTK TRL-35) mà hầu như không có công ty đo đạc nào trong nước hiện nay có thể thực hiện được.
Tuy nhiên, hiện nay trong thực tế sản xuất, nhiều đơn vị, nếu chưa trang bị được những trang thiết bị hiện đại như trên, vẫn tồn tại một số phương pháp đo sâu như dưới đây, nhưng đạt độ chính xác thấp hơn :
PHƯƠNG PHÁP THỦ CÔNG
Đây là phương pháp đo sâu rất đơn giản và xuất hiện từ rất lâu. Thiết bị và cách sử dụng rất đơn giản có thể phân làm hai loại sau:
Dây dọi (Lead line): Làm bằng dây không co giãn, trên đó khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài và một đầu có buộc vật nặng.
Sào đo sâu (Sounding pole): Là những sào gỗ hoặc nhôm trên đó có khắc vạch chia đơn vị đo chiều dài, một đầu có tay cầm.
Hình 10. Đo sâu truyền thống dùng mia
Phương pháp đo sâu thủ công được áp dụng trong những tình huống mà khu đo không thể thực hiện bằng phương pháp đo sâu hồi âm hoặc nếu dùng phương pháp đo sâu hồi âm thì sẽ cho kết quả xấu. Phương pháp này đặc biệt thích hợp khi dưới mặt nước khảo sát là đá hay bê tông, trên mái dốc của các con đê, cập mạn tàu khảo sát (gần bờ). Vì trong những trường hợp kể trên phương pháp đo sâu hồi âm có thể cho kết quả không chính xác. Phương pháp đo sâu thủ công được dùng kết hợp với phương pháp đo sâu hồi âm như là một cách thức kiểm nghiệm máy hay là một phương pháp hỗ trợ tích cực.
Hình 11. Nguyên lý xác định độ sâu đáy sông bằng sào
PHƯƠNG PHÁP GIAO HỘI GÓC THUẬN
Áp dụng cho khu vực gần bờ mà trên đó đã có lưới khống chế dày đặc hoặc các điểm định hướng vị trí của tàu hay mục tiêu được xác định bằng 3 máy kinh vĩ đặt trên ba điểm đã biết tọa độ nằm trên đất liền. Do tính biến động của môi trường biển nên công tác xác định cần phải thực hiện một cách đồng bộ nhờ cờ hiệu và bộ đàm. Phương pháp chỉ tác dụng trong phạm vi cách bờ từ 20-25km với độ chính xác đạt từ 5-15m.
Hình: Nguyên lý định vị theo phương pháp giao hội thuận
Đặt 3 máy kinh vĩ tại các điểm I, II, III để tiến hành định vị các điểm ngoài thực địa:
- Máy tại điểm I ngắm hướng chuẩn I II tia ngắm I2
- Máy tại điểm II ngắm hướng chuẩn II I tia ngắm II2
- Máy tại điểm III ngắm hướng chuẩn III I tia ngắm III2
Theo hiệu lệnh của người phất cờ đứng trên tàu người đứng máy tại các điểm I, II, III đồng thời đọc các góc a, b, c . Khi đó người phụ trách máy đo sâu trên tàu tiến hành đánh dấu lên băng đo sâu
Trog phương pháp này, sai số ttrung phương vị trí điểm P được xác định theo công thức:
PHƯƠNG PHÁP GIAO HỘI GÓC NGHỊCH
Để tiến hành ít nhất trên hai hướng, giữa các điểm định hướng hay điểm khoảng cách nằm trên bờ, thiết bị sử dụng là máy sekstan, thường được xác định đồng thời với hai người quan sát. Phương pháp này chỉ thực hiện ở phạm vi cách bờ từ 20-25km và độ chính xác đạt được từ 10-15m.
Để tiến hành xác định điểm 2 (hình trên) đặt máy sextant tại điểm 2 tiến hành ngắm hướng và đọc các góc
Thông thường mỗi đường trắc ngang xác định bằng 3 điểm: điểm đầu, điểm giữa và điểm cuối. Trong trường hợp đường đo quá dài số lượng điểm có thể nhiều hơn
Trong quá trình đo máy đo sâu liên tục hoạt động để xác định độ sâu đáy sông, biển
Trong phương pháp này, độ chính xác phụ thuộc vào các góc kẹp . Giá trị này càng lớn thì mô hình càng chính xác. Người ta cố gắng thiết kế sao cho các góc kẹp lớn hơn 300.
PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ CỰC
Dùng máy toàn đạc điện tử (total station) đặt tại điểm tham chiếu trên bờ. Điểm P được định vị bằng góc nối và cự ly S đo được. Như vậy tại mỗi thời điểm, khi người đứng tại điểm P ra hiệu thì máy ngắm đúng vào P và fix một tín hiệu, đồng thời người tại P cũng ghi nhận độ sâu lúc đó.
Trong phương pháp này, độ chính xác điểm P phụ thuộc vào sai số góc đo góc và sai số đo cạnh S.
PHƯƠNG PHÁP THIÊN VĂN & PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ
Khi đo vẽ bảo đảm địa hình tỷ lệ như ở vùng gần bờ. Để xác định vị trí vị trí của tàu có thể sử dụng phương pháp tìm phương vị của những điểm trên bờ bằng la bàn con quay đặt trên tàu. Ngoài ra khi tiến hành công tác ngoài khơi còn sử dụng phương pháp thiên văn và phương pháp tính toán đường đi để xác định vị trí của tàu. Phương pháp tính toán dựa trên cơ sở góc và vận tốc của tàu.
Ưu điểm: dùng được ngoài khơi
Nhươc điểm: độ chính xác thấp 4-5km với khoảng hai giờ đo
Ngoài ra trong phương pháp quang học còn sử dụng các máy đo dài laser và thiết bị định vị để đo lường khoảng cách trong môi trường nước. Định vị tại mặt nước, nghiên cứu địa hình đáy biển cũng nhờ tính chất hoá lý của nước và tính chất khác.
KỸ THUẬT ĐO SÂU KẾT HỢP QUAN TRẮC MỰC NƯỚC
Quan trắc mực nước là xác định độ cao của mực nước kết hợp với kết quả đo sâu ta tính được độ sâu của đáy.
Hình 12. Kỹ thuật đo sâu hậu xử lý
Sơ đồ dưới đây mô tả nguyên tắc xác định độ cao đáy sông (HB) bằng đo GPS động.
Trong đó:
· hA là chiều cao anten của trạm cơ sở so với mốc, được đo bằng thước với độ chính xác khoảng 5mm.
· hB: Độ cao anten của trạm động (Rover) so với mặt Ellipsoid tham khảo.
· f: là chiều cao anten của trạm động so với mặt đáy đầu sensor máy hồi âm tại vị trí của thuyền, được đo bằng thước với độ chính xác cm.
· D: là độ sâu của đáy, đo được bằng máy đo sâu hồi âm.
· HA: là độ cao của mốc so với mặt ellipsoid tham khảo (giả sử không sai số).
Hình 13. Nguyên lý xác định độ sâu trong kỹ thuật đo sâu hậu xử lý
· HB: là độ cao của đáy sông, được tính theo công thức:
Giả thiết trên chỉ đúng ở vùng nước yên tĩnh không có tác động của sóng, gió, dòng chảy….Trong thực tế nhiều nguyên nhân có thể gây ra sự chênh lệch mực nước giữa trạm đo gần bờ và vị trí đo sâu như: ảnh hưởng của đoạn sông cong, đoạn sông co hẹp hay mở rộng, tác động của gió sóng thủy triều….Những ảnh hưởng này làm cho độ cao mực nước tại thuyền và tại bờ có khi chênh nhau đến met.
Mô phỏng các phương pháp đo sâu từ trước đến nay
PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ :
Hệ định vị GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể chuyển động. Trị quan trắc (cự ly) là như nhau, nhưng trên thực tế do anten tĩnh hoặc động khác nhau nên dẫn đến những khác nhau rất lớn .
Nếu anten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự ly đến những vệ tinh khác nhau, việc làm này cho phép ta có những phép đo dư thừa, giả nghiệm tổng quát (tức là cho phép bình phương nhỏ nhất) từ nhiều số đo và nhận được vị trí cần được xác định với độ chính xác cao hơn. Khi anten chuyển động chúng ta có thể nhận được những chỉ định tức thời không có số đo dư thừa.
1. Phương pháp đo tuyệt đối :
Cho phép xác định toạ độ không gian XYZ trong hệ WSG-84 của 1 điểm bởi 1 máy thu được đặt trên điểm đó. Do người sử dụng thông thường chỉ được phép sử dụng lịch vệ tinh bị nhiễu bởi SA nên không thể xác định được toạ độ không gian XYZ của điểm toạ độ chính xác cao.
Hình 14. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Hiện nay việc định vị tuyệt đối bằng GPS trong trường hợp tốt nhất với điều kiện phải dùng lịch vệ tinh chính xác do chính phủ Mỹ cung cấp sẽ đảm bảo sai số định vị cỡ 1(m). Nếu không có lịch vệ tinh chính xác thì sai số định vị chỉ đạt được từ 10 – 20(m).
Chế độ làm nhiễu sóng của Mỹ gọi là chế độ SA làm giảm độ chính xác của phép định vị này. Tuy nhiên chế độ này đã tắt vào 1-5-2000. Để nâng cao độ chính xác của phương pháp định vị điểm người ta đề xuất một kỹ thuật đo GPS vi phân (DGPS – Differential GPS).
2. Phương pháp đo GPS vi phân:
Độ chính xác định vị bằng phương pháp tuyệt đối trong nhiều trường hợp không thoả mản được yêu cầu của hoạt đông kỹ thuật trên biển. Phương pháp DGPS (GPS vi phân – Differetial GPS) ra đời và khắc phục được nhược điểm trên.
Với Ephemerit chính xác của vệ tinh ở thời điểm đo thì khoảng cách lý thuyết R từ trạm tĩnh đã biết toạ độ (Reference station) đến vệ tinh là Rn = f(X,Y,Z) trong đó X,Y,Z là toạ độ trạm tĩnh. Số hiệu chỉnh khoảng cách .Trong đó là khoảng cách đo được ở trạm tĩnh. Toạ độ X’,Y’,Z’ và số hiệu chỉnh khoảng cách Rn ( thường được gọi là cải chính phân sai ) được truyền từ máy tĩnh sang máy động bằng sóng vô tuyến thông qua Radio link. Như vậy để áp dụng phương pháp DGPS cần có một máy thu GPS và thiết bị phát tín hiệu vô tuyến đặt trên điểm đã biết toạ độ (trạm tĩnh) và máy thu GPS và thiết bị thu tin hiệu vô tuyến đặt trên tàu, thuyền (trạm động). Cả 2 máy cố định và di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau.
Hình 15. Định vị DGPS
Đo GPS vi phân hậu xử lý tức là sau khi đo đạc ngoài trời xong về trong phòng ta mới tìm số cải chính DXA, DYA, DZA để cải chính cho điểm M.
Tuy nhiên trong thực tế có nhiều bài toán đòi hỏi phải cải chính cho tọa độ điểm M ngay tại thực địa. Khi đó ta phải tìm số cải chính DXA, DYA, DZA và lập tức chuyển số cải chính này sang cho điểm M. Muốn vậy tại A phải trang bị bộ máy phát vô tuyến, tại M phải trang bị máy thu vô tuyến. Đây chính là trường hợp đo GPS vi phân thời gian thực (RTK - Real Time Kinematic).
Để lấy số cải chính của điểm A để tính cho điểm M thì khoảng cách giữa 2 điểm A và M phải có giới hạn và cùng quan sát số vệ tinh như nhau.
Máy thu đặt tại điểm đã biết tọa độ gọi là máy chủ (Base Station).
Máy thu đặt tại điểm quan sát tọa độ gọi là máy di động (Rover Station).
3 Phương pháp đo tương đối : trong kiểu đo này, hai anten cùng hai máy thu tương ứng được đặt (tại đầu của đường đáy cần quan trắc) và phải làm việc đồng thời. Nghĩa là đo GPS xong chúng ta chỉ tìm được hiệu tọa độ giữa 2 điểm quan sát là DX, DY, DZ chứ không biết tọa độ tuyệt đối riêng của từng điểm. Việc đo GPS tương đối được sử dụng dựa trên cơ sở đại lượng phase của sóng mang. Sở dĩ có thể đạt được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích lũy trong các cự ly quan trắc đồng thời thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại 2 đầu đường đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng giảm thiểu một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối.
4. Phép định vị động tương đối : dùng để xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao. Ý tưởng chính của phép đo này là dùng một anten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó máy thu có anten tĩnh tại theo dõi (tốt nhất là theo dõi tất cả các vệ tinh nhìn thấy được). Giả sử đã biết chính xác vị trí của máy thu tĩnh tại và trạng thái hoạt động của đồng hồ. Nhưng sở dĩ có những khác nhau giữa những cự ly đo tới mỗi vệ tinh và những cự ly tính được từ vị trí biết trước của máy thu tĩnh tại và đồng hồ (tức sai số khép độ dài) và từ đó có những biến đổi trông thấy trong vị trí của máy thu tĩnh tại là do có những biến đổi động tức thời trong thông tin quỹ đạo, trong trị thời trễ khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ. Người ta truyền khoảng lệch vị trí hoặc sai số khép độ dài tới máy thu chuyển động thông qua nối thông tin liên lạc theo thời gian thực. Người ta nhận được những kết quả tốt hơn và việc bổ xung số hiệu chỉnh cũng dễ dàng hơn là khi dùng sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí.
PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DGPS
1. Mục đích chung
Mục đích của phép định vị động DGPS là xác định tọa độ của một hoặc nhiều điểm theo thời gian thực bằng cách lấy một điểm đã biết trước tọa độ làm điểm tham chiếu.
2. Yêu cầu
Như đã nhận định, phép đo theo trị số đo phase sẽ mang lại độ chính xác cao hơn so với số đo mã. Chính vì vậy mà phương pháp định vị DFPS được sử dụng một cách khá phổ biến với mô hình tóan học tổng quát được biễu diễn như sau
DP = f(DR, DdT)
Trong đó:
DR: ẩn số vị trí tương đối giữa điểm chuyển động và điểm tham chiếu
DP: hiệu số các giá trị giả cự ly đo được trên hai máy thu
Như vậy, để mô hình tóan có nghiệm duy nhất cho các ẩn số thì khi tiến hành đo người ta cần phải có tối thiểu ít nhất 4 vệ tinh quan sát được tại một thời điểm tức thời. Trong đó có 3 vệ tinh là dùng cho việc xác định DR và một vệ tinh cho việc xác định DdT.
3. Nguyên tắc họat động.
Như đã biết, phương pháp định vị GPS họat động dưa trên nguyên tắc xác định cự ly từ vị trí đã biết của vệ tinh đến điểm cần xác định trên mặt đất bằng cách đo thời gian trễ kể từ khi tín hiệu vệ tinh phát ra cho đến lúc máy thu nhận được tín hiệu đó. Để mang tính trừu tượng hơn ta xem xét một họat động sau đây:
Giả sử hai người có đồng hồ giống nhau và chạy chính xác tuyệt đối đang đứng tại hai điểm cách xa nhau A và B và cùng hẹn với nhau tại một thời điểm nào đó hai người cùng hô những tiếng 1,2,3… cách nhau những khỏang đều nhau.
Như vậy đến một lúc nào đó, giả sử anh B hô đến tiếng thứ 3 thì lúc đó cũng vừa nghe tiếng hô số 1 của anh A vang đến. Lúc này anh B chỉ cần tính khỏang thời gian Dt kể từ khi anh A đọc tiếng số 1 cho đến khi đọc tiếng số 3 và kết hợp với vận tốc truyền âm thanh trong không gian thì sẽ tính được cự ly giữa hai điểm A và B.
P = C. Dt
Dựa vào nguyên tắc này, phương trình giả cự ly trong phương pháp định vị DGPS được đưa ra như sau:
p = p + c.(dt - dT) + dion + dtrop + dp
Trong đó:
P: cự ly thực giữa vệ tinh và máy thu
dp : sai số do lịch thiên văn.
c: vận tốc ánh sáng trong chân không
dion: sai số cự ly do khúc xạ tầng điện ly
dtrop: sai số cự ly do khúc xạ tầng đối lưu
dt: sai lệch đồng hồ vệ tinh
dT: sai lệch đồng hồ máy thu
Tuy nhiên, với phương trình đo giả cự ly trên nếu đem áp dụng trực tiếp vào mô hình định vị động thì sẽ không chính xác vì còn thừa quá nhiều các sai số. Hơn nữa, tại mỗi thời điểm, số lượng tín hiệu quá ít thì không thể nào lọai bỏ các sai số trên bằng các lấy trung bình các cự ly thu được như trong các mô hình định vị bình thường khác.
Người ta đã đưa ra một nguyên tắc rất cơ sở nhằm lọai bỏ hoặc giảm thiểu các sai số trên để áp dụng riêng cho phương pháp định vị DGPS, đó là phép lấy hiệu cự ly.
Giả sử tại mỗi điểm, một máy thu tĩnh đặt tại điểm đã biết trước tọa độ và một máy thu di động cùng quan sát đến một vệ tinh và lần lượt nhận được những cự ly P1 và P2, được xác định theo phương trình đo giả cự ly như sau:
P1 = p1 + c.(dt - dT) + dion1 + dtrop1 + dp
P2 = p2 + c.(dt - dT) + dion2 + dtrop2 + dp
Vậy: DP = Dp – c.DdT + Ddion + Ddtrop
Trong đó
Ddion và Ddtrop là những số hiệu chỉnh trị số đo các trị thời trễ tong tần điện ly và tầng khí quyển.
DdT là số hiệu chỉnh số đo các sai số đồng hồ giữa máy thu.
Như vậy, nhờ phép lấy hiệu mà phương pháp định vị DGPS đã lọai bỏ hoặc hỉam thiểu các sai số liên quan đến vệ tinh như:
- Sai số đồng hồ vệ tinh.
- Giảm thiểu các sai số về quỹ đạo và trị trễ tầng khí quyển.
|
D(·) = (·)receiver2 - (·)receiver1
Dp = Dr - c.DdT + Ddion + Ddtrop
Df = Dr - c.DdT + l.DN - Ddion + Ddtrop
|
Hình 16. Hiệu giữa hai máy thu
Đi đôi với việc tại mỗi thời điểm, hai máy thu cùng nhau quan sát tối thiểu là đến 4 vệ tinh thì sẽ cho phép ta xác định được vectơ DR giữa hai điểm di động so với điểm cố định đã biết tọa độ một cách chính xác theo thời gian thực.Bên cạnh việc phát hiện những sai số hiệu chỉnh trên nhờ phép lấy hiệu, người ta còn khai thác thêm một số hiệu chỉnh rất quan trọng, góp phần tăng thêm độ chính xác đó là sai số khép độ dài.
Như đã biết, ý tưởng của phương pháp định vị DGPS là dùng anten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó máy thu có anten tĩnh tại theo dõi những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được máy thu có anten chuyển động theo dõi. Vì đã biết trước chính xác vị trí của máy thu tĩnh, nên người ta sẽ phát hiện được sự sai khác về cự ly từ máy thu tĩnh tới từng vệ tinh tại thời điểm tức thời với cự ly tính được từ vị trí đã biết trước. Sau đó người ta truyền khỏang lệch cự ly (sai số khép độ dài) đến máy thu chuyển động thông qua việc nối kết thông tin theo thời gian thực.
Với hàng lọat những số hiệu chỉnh nhận được từ những nguyên tắc trên, đã góp phần nâng cao độ chính xác về việc xác định vị trí điểm động trong phương pháp định vị DGPS.
Hình 17. Nguyên lý định vị DGPS
NHỮNG KIỂU ĐỊNH VỊ DGPS
1. Theo phương pháp cải chính phân sai :
Tuỳ vào cách xử lý số cải chính phân sai đồng thời trong quá trình đo trạm động hay xử lý sau khi kết thúc việc đo ở trạm động trở về ta có các phương pháp tương ứng là cải chính thời gian thực (real-time) và cải chính sau (post-processing ).
a. Cải chính thời gian thực:
Số cải chính được tính toán và phát tức thời thông qua thiết bị VHF Radio tới các máy thu GPS. Các máy thu GPS thu nhận được đồng thời tín hiệu định vị từ vệ tinh, tính hiệu cải chính và tính toán ra vị trí chính xác (vị trí định vị GPS đã được cải chính phân sai ). Với phương pháp này, ở một vị trí bất kỳ, ở một thời điểm bất kỳ ta có thể biết được vị trí không gian chính xác của điểm đặt Antena máy thu GPS. Để tính toán và phát đi số cải chính phân sai, phục vụ cho các đối tượng sử dụng, người ta ứng dụng hai phương pháp :
- Mỗi quốc gia xây dựng một mạng lưới các trạm định vị cố định ( các trạm này gọi là các trạm GPS cơ sỡ – Base Station ). Các trạm này thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS 24/24 giờ và liên tục tính toán, phát đi các số cải chính phân sai.Một máy thu GPS có thể thu và xử lý số liệu cải chính phân sai từ một hay nhiều trạm GPS tĩnh
- Xây dựng mạng lưới trạm tĩnh có tính chất toàn cầu. Các số liệu cải chính phân sai được phát lên vệ tinh và phát lại cho các máy thu GPS trên toàn cầu theo từng khu vực
Điển hình là hệ thống trạm tĩnh của hệ thống định vị OMNISTAR (MỸ)
b. Cải chính phân sai sau:
Các số cải chính phân sai, tính toán tại các trạm tính được lưu thàh files số liệu trong máy tính. Các số liệu định vị trên biển cũng được lưu thành các files số liệu. Vị trí của các điểm cần xác định trên biển được cải chính phân sai sau dựa vào các files số liệu cải chính .Như vậy vị trí không gian chính xác của máy thu GPS tại thời điểm bất kỳ trong thời gian đã qua.
2. Theo phạm vi hoạt động
Tuỳ thuộc vào các thiết bị, cách thức thu tín hiệu vô tuyến, tầm hoạt động mà phân biệt 3 trường hợp áp dụng công nghệ DGPS
-DGPS tầm ngắn :
Thiết bị thu tín hiệu vô tuyến ở dải tần VHF, có tầm hoạt động đến 60 Km. Độ chính xác định vị theo chế độ real-time đạt 0.5-1.0m
-DGPS tầm trung (BEACON DGPS hay LADGPS):
BEACON DGPS sử dụng các trạm tĩnh (BEACON) được xây dựng cố định, trên đó đặt các máy thu GPS và các thiết bị phát sóng radio ở dải tần số từ 238.5KHz đến 325.0KHz. Tầm hoạt động của trạm tĩnh tuỳ thuộc vào công suất thiết bị phát sóng radio nằm trong khoảng từ 200Km đến 500Km. Độ chính xác đạt cỡ 1 - 5m tuỳ thuôc vào khoảng cách đến trạm tĩnh
-WADGPS (Wide area DGPS hoặc Satellite DGPS)
Trong trường hợp này tín hiệu cải chính phân sai được thu không phải từ trạm tĩnh mà từ vệ tinh địa tĩnh INMARSAT. Các trạm cố định nằm rải rác ở các khu vực trên thế giới truyền tín hiệu vệ tinh về trạm trung tâm. Trạm trung tâm truyền tín hiệu cải chính phân sai lên vệ tinh INMARSAT và máy thu GPS đặt ở trên tàu thuyền thu đồng thời tín hiệu GPS và tín hiệu cải chính phân sai để xử lý trong chế độ real-time. Công nghệ này áp dụng được ở vùng phủ sóng của vệ tinh địa tĩnh INMARSAT và trong tầm hoạt động của các trạm cố định. Tầm hoạt động của hệ thống WADGPS đạt đến hàng ngàn km. Độ chính xác định vị cỡ ±1,0-3,0 m.
Ưu điểm của công nghệ DGPS :
Công nghệ định vị bằng công nghệ DGPS có hàng loạt các ưu điểm cơ bản sau đây:
- Có thể định vị với độ chính xác cao ở gần như mọi vị trí trên biển.
- Có thể làm việc liên tục 24h/24h, ít ảnh hưởng đo điều kiện thời tiết.
- Hoàn toàn tự động hoá.
- Các thiết bị thu GPS đều rầt gọn nhẹ làm việc ổn định và bền vững, giá cả hợp lý.
- Các thiết bị thu GPS đều có khả năng kết nối với các thiết bị khác như máy tính điện tử, máy đo sâu hồi âm, máy vẽ … thành một hệ thống xử lý tổng hợp, các kết quả đo đạc quan trắc đều ở trên tàu.
- Kết hợp với các phầm mềm tương ứng có khả năng đạo hàng dẫn đường rất chính xác.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ OMNI STAR
Hệ thống này có các trạm cố định nằm rãi rác trên thế giới và ở vùng Đông Nam Á có mật độ khá dày. Tại Vũng tàu, Việt nam có một trạm cố định.
Hình 18. Mạng lưới các trạm tĩnh (cố định) trên thế giới của hệ thống OmniSTAR.
Cấu tạo antenna thu OmniSTAR gồm hai phần: phần thu tín hiệu GPS được truyền đến bộ thu sóng GPS và phần tín hiệu hiệu chỉnh từ vệ tinh địa tĩnh được truyền đến bô tách sóng điều biến bên trong máy .Thông điệp hiệu chỉnh ở dạng RTCM SC-104 được tính toán từ các trạm tĩnh đặt rải rác trên khắp thế giới sau đó được truyền lên vệ tinh địa tĩnh viễn thông đặt cách nhau 1200 trong không gian nhằm phủ sóng toàn thế giới. Toạ độ các trạm tĩnh được đo nối vào lưới IGS thế giới nên độ chính xác khá cao nên ảnh hưởng của số liệu gốc vào trị số hiệu chỉnh không đáng kể.
Máy thu tín hiệu OmniSTAR 3000L Series DGPS theo thông số kỹ thuật thì độ chính xác định vị với xác suất 95% đạt 0.5m cho khoảng cách đến 1000km và 3m cho khoảng cách đến 2000km và qua thực tế sản xuất cho thấy độ chính xác khi đo tĩnh < 1.0m, khi đo động khoảng 1-2 m
Để sử dụng hệ thống này ta dùng dòng máy định vị đặc trưng OmniSTAR 3000L Series DGPS và phải trả phí thuê bao , máy thu đơn hoạt động ở chế độ vừa thu tín hiệu GPS từ vệ tinh GPS vừa thu tín hiệu từ vệ tinh địa tĩnh
Hình 19. Nguyên lý hoạt động của hệ OmniSTAR
1. Sơ đồ tích hợp hệ thống thiết bị cần thiết cho hệ thống đo sâu Singlebeam của Địa Hải hiện nay.
Đọc tiếp...>>
2. Sơ đồ tích hợp hệ thống thiết bị cần thiết cho hệ thống đo sâu Multibeam của Địa Hải hiện nay.
Đọc tiếp...>>
|
