Quy trình xử lý số liệu GNSS

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TRIMBLE TOTAL CONTROL 2.7

2.3. Quy trình xử lý số liệu GNSS

Trong mọi trường hợp, công việc xử lí số liệu đo và kiểm tra chất lượng đo lưới GPS phải được thực hiện thường xuyên ít nhất là 1 lần trong ngày. Không nên để dồn số liệu của nhiều ngày đo rồi mới xử lý.

Dựa vào kết quả xử lí véc tơ cạnh, có thể sơ bộ kết luận về chất lượng đo trước khi kết thúc công việc ngoại nghiệp. Nhờ đó có thể phát hiện những sai sót trong đo đạc để kịp thời đo lại hoặc đo bổ sung.

Việc xử lí số liệu đo GPS bao gồm 4 bước sau:

1. Trút số liệu từ máy thu vào máy tính;

2. Xử lí véc-tơ cạnh;

3. Kiểm tra lưới;

4. Bình sai lưới.

2.3.1. Trút số liệu đo GNSS

Bước đầu tiên trong công đoạn xử lý là trút số liệu từ máy thu vào ổ đĩa cứng của máy tính. Việc trút số liệu được thực hiện nhờ phần mềm của hãng chế tạo máy thu cung cấp, ví dụ như modul độc lập dùng để trút số liệu Data Transfer cho máy thu R3.

Đối với máy thu của hãng TOPCON sử dụng modul TOPCON LINK để trút số liệu.

Các máy thu GNSS thế hệ mới có cổng giao tiếp với máy tính qua cổng USB.

Hình 2.5. Trút dữ liệu đo từ máy thu GPS vào máy tính

Một số máy GPS cũ như Trimble 4600LS có cáp trút số liệu giao tiếp với máy tính qua cổng COM, mà hiện nay nhiều máy tính thế hệ mới không có cổng COM, chủ yếu là qua cổng USB. Cần có bộ chuyển đổi COM - USB khi trút số liệu cho loại máy thu này.

Số liệu trút từ máy thu vào máy tính gồm cá trị đo pha L1, hoặc L1 và L2, các trị đo khoảng cách giả C1 và hoặc C1, P1, P2. Với một số máy thu còn kèm theo trị đo Doppler D1, D2. Trong tệp số liệu đo còn có tọa độ gần đúng (X, Y, Z) của điểm đặt máy cùng với số hiệu điểm, độ cao ăng ten đã nhập từ khi khởi động máy tính (nếu có).

Ngoài số liệu đo, số liệu được trút vào còn có lịch vệ tinh quảng bá phục vụ cho các tính toán tiếp theo.

Có một số máy thu không có thao tác vào tên điểm và độ cao ăng ten ở thực địa (như máy Trimble 4600LS), thì trong giai đoạn trút số liệu sẽ phải làm thủ tục này. Đối với các máy thu đã nhập tên điểm trạm máy, độ cao ăng ten ngay tại thực địa, thì cần kiểm tra lại các dữ liệu đầu vào. Nếu phát hiện thấy sai cần chỉnh sửa ngay. Độ cao ăng ten có thể nhập độ cao đúng (true vertical) và cũng có thể nhập độ cao đo (Uncorrected vertical) phù hợp với loại ăng ten và cách đo đã quy định. Cần nhớ rằng, khi đo chiều cao ăng ten chúng ta đã đo chính xác đến 1mm, nhưng nếu nhập sai chủng loại ăng ten hoặc sai kiểu đo cao ăng ten thì sẽ phạm sai số cỡ vài cm hoặc lớn hơn trong kết quả cuối cùng.

Trong khi trút số liệu cần có sổ đo hoặc bảng tổng hợp ghi chép tại các trạm máy.

Khi trút số liệu, có thể căn cứ vào thời gian bắt đầu, thời gian kết thúc và căn cứ tọa độ địa lý của điểm đo để phát hiện ra những nhầm lẫn về tên điểm. Nói chung các tệp số liệu đo thu được cần lưu ngay vào thiết bị trung tâm như USB, CD… Tốt nhất nên có bộ nhớ trung gian có dung lượng lớn để ghi số liệu đo ngay khi trút nhằm đảm bảo an toàn dữ liệu đo.

2.3.2. Xử lý véc-tơ cạnh

Các phần mềm hiện đại cho phép xử lý nhiều tệp đo đồng thời để tính cạnh.

Thường thường, số liệu đo của một ngày được ghi vào một thư mục trong ổ đĩa cứng.

Có 2 chế độ xử lý, đó là xử lý từng véc tơ và xử lý đồng thời nhiều véc tơ. Trong một số trường hợp, một trong các điểm trong ca đo khi quan trắc bị hỏng số liệu và tất cả các điểm được xử lý đồng thời, các sai số từ điểm hỏng sẽ nằm trong tất cả các véc tơ và sai số được giữ lại. Các chế độ xử lý véc tơ đơn lẻ cho phép kiểm tra tốt hơn những cạnh sai hay điểm sai, điểm sai có thể dễ dàng phát hiện nhờ số liệu thống kê như sai số trung phương đơn vị trọng số, sai số tiêu chuẩn bằng cách đối chiếu tham số của các cạnh được coi là chuẩn với cạnh khác. Thêm vào đó, có thể lấy tổng số gia tọa độ theo một tuyến ca đo, nếu như tổng giá trị số gia tọa độ theo vòng khép kín không nhỏ thì chứng tỏ một trong các điểm của ca đo có điều kiện đo kém.

Khi đo các cạnh ngắn, ta có thể thực hiện tính toán lặp lại với vệ tinh tham khảo khác hoặc loại bỏ vệ tinh bị nghi ngờ là sai số lớn. Theo quy định đo GPS, tiêu chuẩn đối với cạnh là:

Bảng 2.3. Tiêu chuẩn đối với cạnh

Chiều dài cạnh Dạng lời giải RMS (m) RATIO

D ≤ 5km L1 fix < 0.015 >3

D >5km Lonosphere free fix <0.020 >3

2.3.3. Kiểm tra mạng lưới

Trước khi bình sai cần kiểm tra chất lượng lưới. Lưới GPS được tạo thành từ nhiều véc tơ cạnh. Nếu tất cả các cạnh đều đạt chỉ tiêu của chất lượng cạnh riêng rẽ thì thông thường toàn bộ lưới sẽ đạt yêu cầu. Như đã nói ở phần trước, trong lưới GPS, các véc tơ cạnh thường được đo khép kín (có thể là các véc tơ cùng ca đo hoặc khác ca đo). Dựa vào đặc điểm kết cấu hình học này, chúng ta có thể kiểm tra lần cuối chất lượng đo của các véc tơ cạnh trong mạng lưới nhờ tính toán các sai số khép hình.

Tương tự như sai số khép hình trong mạng lưới tam giác đo góc, các sai số khép hình trong lưới GPS cũng mang tính chất của sai số thực của hàm trị đo.

Việc tính sai số khép hình trong lưới được thực hiện trong các hình khép kín theo công thức sau:

Sai số khép toàn phần được tính theo công thức:

(2.28)

Sai số khép fX, fY, fZ thực chất là hàm của các trị đo ΔX’, ΔY’, ΔZ’ (là các thành phần của véc tơ cạnh).

Sai số khép tương đối được tính:

(2.29) Trong đó: [D] là tổng chiều dài cạnh của vòng khép.

Một số nguồn sai số không thể hiện trong sai số khép hình tạo bởi các cạnh trong cùng một ca đo như sai số đo cao ăng ten, sai số dọi điểm. Sai số khép hình tạo bởi các cạnh khác ca đo thể hiện hầu hết các nguồn sai số trong đo GPS, kể cả sai số do điều kiện khí tượng thay đổi giữa các ca đo. Giá trị sai số khép tương đối (1/T) được quy định riêng cho từng cấp lưới.

Theo quy chuẩn kĩ thuật của nước ta , sai số khép tương đối phải thỏa mãn quy định sau:

Bảng 2.4. Quy định về sai số khép tương đối [7][8]

D n

0.50 km

1.00 Km

2.00 km

3.00 km

4.00 Km

3 1:40600 1:80000 1:151600 1:210000 1:255000

4 1:40900 1:92400 1:175000 1:242000 1:294500

5 1:52400 1:103400 1:195700 1:271200 1:329200

6 1:57400 1:113200 1:214400 1:297000 1:360700

Trong đó:

D: chiều dài cạnh trung bình trong lưới;

n: số cạnh trong hình khép.

a. Xử lý kết quả đo kém

Kết quả đo kém chất lượng có thể do một số lí do sau:

- Sai sót ở đo ngoại nghiệp: đo xác định chiều cao ăng ten sai, nhập tên trạm đo không đúng, định tâm lệch;

- Đặt các tham số các máy thu: góc ngưỡng khác nhau, tần số thu không đồng bộ giữa các máy cùng ca, số vệ tinh thu sử dụng khác nhau, định dạng file số liệu khác nhau (khác loại máy thu);

- Thu số liệu ở các điều kiện rìa: thu quá ít vệ tinh, PDOP quá cao, quá nhiều vệ tinh ở góc ngưỡng thấp, điều kiện đo có nhiều chướng ngại vật, trượt chu kì pha nhiều và không đủ thời gian thu.

Loại sai số do sai sót ở ngoại nghiệp thường gọi là sai số thô, sai số này có thể tránh xảy ra bằng cách tuân thủ chặt chẽ theo các bước ngoài thực địa như: đo và ghi chiều cao ăng ten vào sổ đo, ghi thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc, ghi rõ số hiệu điểm đo và ca đo nhằm tránh lẫn với ca đo khác.

Loại sai số thứ hai là loại sai số khó khăn hơn trong việc nhận biết và loại bỏ.

Thông thường đo GPS cần khoảng 6 vệ tinh, với điều kiện đồ hình tốt và không có chướng ngại vật. Tuy vậy, điều kiện này không phải lúc nào cũng đạt được, vì vậy trong bất cứ trạm đo nào cũng cần phải khắc phục càng nhiều yếu tố trên thì càng tốt.

b. Các phương pháp làm giảm sai số

- Chọn điều kiện đo tốt nhất có thể được: sử dụng Quick Plan để chọn thời gian đo hợp lí với PDOP nhỏ nhất, và số vệ tinh tối đa có thể có được. Nếu cần quan tâm đến độ cao, hãy xem giá trị VDOP đã đủ tốt hay chưa;

- Đến các điểm đo trước khi đo xem xem có chướng ngại vật gì hay không. Nếu thấy có chướng ngại vật, có thể thay đổi vị trí điểm đo. Điều này rất quan trọng cho đo động với trạm base;

- Kiểm tra lại các bước đặt cấu hình cho tất cả các loại máy thu xem chúng đã đồng bộ hay chưa:

+ Theo dõi tính đầy đủ của thời gian thu;

+ Sử dụng thêm các trị đo thừa: thiết kế mạng lưới sao cho tất cả các điểm có thể có 3 cạnh độc lập đo tới điểm.

Các phương pháp này có thể giải quyết được một số yếu tố làm giảm độ chính xác của các cạnh xử lý.

2.3.4. Bình sai mạng lưới

Sau khi kiểm tra kết quả giải cạnh lưới GPS nếu chất lượng các cạnh đã đạt yêu cầu và sai số khép lưới GPS nằm trong hạn sai cho phép, ta có thể tiến hành bình sai lưới GPS. Tất cả các mạng lưới GPS có trị đo thừa đều được bình sai. Về bản chất, lưới GPS là lưới không gian 3D, cho nên lưới GPS cần được bình sai trong hệ tọa độ 3D.

Trong hệ tọa độ này, mỗi điểm mới lập cần phải xác định ba ẩn số là tọa độ không gian của điểm đó.

Kết quả xử lý cạnh cung cấp cho chúng ta hiệu các thành phần tọa độ giữa các điểm đặt máy ở dạng tọa độ vuông góc không gian địa tâm trong hệ tọa độ quy chiếu của hệ thống vệ tinh.

Để có được tọa độ sau bình sai của các điểm lưới nằm trong hệ tọa độ địa phương cần phải trải qua quá trình lựa chọn hệ tọa độ trước khi bình sai. Việc khai báo hệ tọa độ tùy thuộc vào phần mềm sử dụng mà sẽ có cách thức khai báo khác nhau.

Trong kết quả bình sai phải đầy đủ các thông tin sau:

-Thông tin về các véc-tơ cạnh (baselines): ∆X, ∆Y, ∆Z;

-Sai số khép hình và sai số khép hình yếu nhất;

- Các phương vị cạnh, chiều dài cạnh, hiệu số độ cao và các số hiệu chỉnh tương ứng;

-Tọa độ vuông góc không gian X, Y, Z;

-Tọa độ và độ cao trắc địa B, L, H;

-Tọa độ vuông góc mặt phẳng và độ cao thủy chuẩn sau bình sai;

-Đánh giá sai số cạnh, sai số tương đối cạnh và sai số phương vị sau bình sai.