- KHẢO SÁT MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ. - TRONG VIỆC NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ THU GPS GIÁ RẺ Nguyễn Chánh Nghiệm 1 , Trần Nhựt Thanh 1 và Nguyễn Chí Ngôn 1. - GPS, RTK, giá rẻ, chính xác Keywords:. - Trong điều kiện hạ tầng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GNSS của Việt Nam chưa hoàn thiện, việc ứng dụng các hệ thống định vị chính xác có giá thành cao gặp nhiều khó khăn. - Nghiên cứu này nhằm khảo sát độ chính xác của một số kỹ thuật định vị, đặc biệt là định vị động thời gian thực RTK-GPS, cho hệ thống chỉ sử dụng máy thu GPS giá rẻ. - Kết quả thực nghiệm đối với hệ RTK-GPS với trạm cơ sở tự xây dựng cho thấy sai số vị trí của trạm động khoảng 0,2 m khi trạm động di chuyển theo một quỹ đạo định trước. - Kết quả này cho thấy máy thu và ăng ten GPS giá rẻ có thể được ứng dụng để triển khai thử nghiệm một số ứng dụng nông nghiệp chính xác với sai số chấp nhận vào khoảng 0,2 m.. - Tuy nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của GPS như số lượng vệ tinh vào thời điểm quan sát, điều kiện tầng điện ly, chất lượng máy thu GPS. - Để tăng độ chính xác trong định vị,. - Trong các kỹ thuật này, RTK-GPS là một trong những kỹ thuật tốt nhất và có thể giúp hệ thống định vị đạt độ chính xác đến cấp độ centimet (Takasu and Yasuda, 2008). - Các máy thu GPS giá rẻ này cần phải có khả năng cung cấp dữ liệu thô như giả cự ly (pseudorange), pha sóng mang, lịch sao (satellite ephemeris), để tính toán tọa độ chính xác vị trí của anten thu. - Nghiên cứu khảo sát độ chính xác của hệ RTK-GPS cho ứng dụng nông nghiệp khi tự thiết lập trạm cơ sở của Jensen và ctv. - Trong một thí nghiệm khác của Layton và ctv. - (2014), độ chính xác được nâng lên đến centimet khi tín hiệu hiệu chỉnh từ trạm cơ sở quốc gia được sử dụng thay cho việc tự thiết lập trạm cơ sở.. - Trong điều kiện cơ sở hạ tầng GNSS chưa hoàn chỉnh như ở Đồng bằng sông Cửu Long, việc triển khai nông nghiệp chính xác còn gặp nhiều khó khăn vì hệ thống định vị chính xác có chi phí đầu tư cao. - Bên cạnh các máy móc nông nghiệp, các máy bay mô hình không người lái ứng dụng trong nông nghiệp chính xác đang được quan tâm. - Đa số các máy thu và ăng ten giá rẻ đều có thể đáp ứng được yêu cầu này nhưng độ chính xác không cao. - Để có thể sớm phát triển các ứng dụng nông nghiệp chính xác, nghiên cứu này khảo sát một số kỹ thuật định vị trong việc nâng cao độ chính xác của các máy thu GPS giá rẻ trong điều kiện hiện nay.. - Một số tính năng nổi bật của phần mềm này gồm có khả năng hỗ trợ các giải thuật định vị chính xác với hầu hết các hệ thống vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, QZSS, BeiDou và SBAS), hỗ trợ nhiều chế độ định vị (Single, DGPS/DGNSS, Kinematic, Static, Moving-Baseline, Fixed, PPP- Kinematic, PPP-Static và PPP-Fixed). - Có hai chế độ định vị được sử dụng.. - Chế độ Kinematic (RTK-GPS) được dùng để xác định vị trí chính xác của đối tượng di chuyển hay trạm động (rover station) bằng cách sử dụng thêm dữ liệu GPS thô của trạm cơ sở (base station) truyền đến trạm động trong suốt quá trình hoạt động. - Trạm cơ sở có vị trí cố định và tọa độ chính xác biết trước.. - Để nâng cao độ chính xác trong định vị, một trạm cơ sở với vị trí anten cố định được thiết lập để cung cấp dữ liệu GPS thô cho đối tượng di chuyển hay trạm động (rover station) để trạm động có thể tính được tọa độ chính xác của nó. - Trạm động sử dụng máy thu GPS NEO- 6P của hãng u-blox (giá khoảng 180 USD) và ăng ten ANN-MS-0-005 của hãng u-blox (giá khoảng 31 USD) được sử dụng cho trạm di động.. - 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Mô tả thí nghiệm. - Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm được thực hiện được phân thành hai nhóm, gồm có thí nghiệm tĩnh và thí nghiệm động. - Thông tin của các thí nghiệm được tóm tắt ở Bảng 1. - Đối với thí nghiệm tĩnh, việc định vị được thực hiện với chế độ định vị thông thường hay standard positioning (vị trí tính từ giả cự ly của 4 vệ tinh) và chế độ định vị chính xác (cần thông tin giả cự ly và pha sóng mang) (Tasaku, 2013b). - Các thí nghiệm này được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả của giải thuật định vị chính xác điểm. - là giải thuật định vị chính xác điểm cần nhiều thời gian để hội tụ. - Trong trường hợp máy thu GPS một tần số (L1), giải thuật có thể mất đến hàng giờ để cho kết quả định vị chính xác (Jensen và ctv., 2012) và cũng có khả năng giải thuật cũng không thể hội tụ (Witchayangkoon, 2000).. - Thông thường để có thể tăng độ chính xác trong định vị ở trạm động, trạm động cần phải tính toán vị trí hiện tại từ tín hiệu GPS của mình và tín hiệu cải chính hay tín hiệu GPS thô nhận từ trạm cơ sở. - có tọa độ chính xác biết trước. - Do hạn chế về thiết bị định vị chuẩn có độ chính xác cao, tọa độ của trạm cơ sở được xác định thông qua việc định vị trạm cơ sở trong một khoảng thời gian dài để đảm bảo tọa độ tìm được có sai số nhỏ nhất thông qua giải thuật định vị chính xác điểm khi sử dụng chế độ PPP Static của chương trình RTKNAVI (Hình 1). - Sau khi tìm được tọa độ của trạm cơ sở, thí nghiệm ở chế độ động (Kinematic) được thực hiện để đánh giá khả năng định vị của trạm động (rover) sử dụng máy thu GPS giá rẻ.. - Bảng 1: Thông tin về các thí nghiệm. - Thí nghiệm Chế độ Mục đích Phần cứng. - Thí nghiệm tĩnh - Định vị thông thường - PPP Static. - Xác định tọa độ trạm cơ sở - Đánh giá hiệu quả của giải thuật định vị chính xác điểm. - Thí nghiệm động - Kinematic. - Trạm cơ sở: máy thu NEO-6T, ăng ten dạng patch tương thích Trạm động: máy thu NEO-6P, ăng ten ANN-MS-0-005. - Hình 1: Giao diện cấu hình chế độ PPP Static cho RTKNAVI 2.2.2 Bố trí thí nghiệm. - Thí nghiệm ở chế độ tĩnh với máy thu GPS NEO-6P của u-blox được thực hiện để xác định tọa. - Đối với thí nghiệm tĩnh ở chế độ định vị thông thường (máy thu GPS. - Phần mềm u-center Anten của trạm cơ sở. - Máy tính tại trạm cơ sở. - Anten của trạm cơ sở. - Hình 2: Bố trí thí nghiệm tĩnh với (a) chế độ định vị thông thường và (b) chế độ định vị PPP Static. - Phần mềm STRSVR Anten của trạm cơ sở. - Anten của trạm động. - Hình 3: Bố trí thí nghiệm động Khi xác định được vị trí của trạm cơ sở, máy. - thu GPS NEO-6P được sử dụng cho trạm động và LEA-6T được sử dụng cho trạm cơ sở để thiết lập hệ thống RTK-GPS cho thí nghiệm động. - Trong thí nghiệm động, dữ liệu vị trí từ trạm cơ sở (dữ liệu thô) sẽ được gửi đến trạm động thông qua kết nối Wi-Fi. - Trạm động sẽ tính toán vị trí chính xác của mình dựa vào dữ liệu vị trí (dữ liệu thô) thu được từ máy thu GPS của trạm động và dữ liệu nhận được từ trạm cơ sở (Hình 3).. - Các thí nghiệm ở chế độ tĩnh (Static) và động (Kinematic) trong nghiên cứu này được thực hiện tại sân bóng chuyền Khoa Công nghệ, Đại học Cần. - Các thí nghiệm được thực hiện trong những thời điểm trời trong và tương đối ít mây.. - 3.1 Thí nghiệm tĩnh 3.1.1 Định vị thông thường. - Trong thí nghiệm này máy thu GPS NEO-6P được sử dụng để thu thập tọa độ của một điểm tĩnh trong thời gian dài (gần 36 giờ, từ lúc 12:39:54 GPST ngày đến lúc 00:28:11 GPST ngày . - Kết quả thí nghiệm ở Hình 4 cho thấy độ lệch vị trí nhỏ nhất theo phương Đông-Tây và Bắc-Nam ít nhất là ±5 m. - Hình 4: Độ lệch vị trí theo thời gian khi thu thập trực tiếp từ máy thu GPS 3.1.2 Định vị với chế độ PPP-Static của RTK-LIB. - Thí nghiệm này được thực hiện để xác định tọa độ chính xác của một điểm tĩnh nhằm mục đích xác định tọa độ của trạm cơ sở trong điều kiện thiếu thiết bị định vị tọa độ của trạm cơ sở với độ chính xác cao, đồng thời dùng để đánh giá giải thuật định vị chính xác điểm so với cách định vị thông thường của các máy thu GPS giá rẻ.. - Trong thí nghiệm này, chương trình Real-Time Positioning (RTKNAVI) của thư viện RTKLIB được sử dụng ở chế độ PPP Static. - Hình 5: (a) Vị trí đo và (b) độ lệch vị trí theo thời gian trong thí nghiệm tĩnh với chế độ PPP-Static. - Bảng 2: Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của tọa độ trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh. - Bảng 3: Độ lệch của vị trí trạm cơ sở đo trong thí nghiệm tĩnh.. - Bảng 4: Độ lệch vị trí trạm động đo ở trạng thái tĩnh trong thí nghiệm động. - Độ lệch vị trí (mét . - Hình 6: (a) Trạm động và địa điểm thí nghiệm. - (b) Trạm động trên quỹ đạo 3.2 Thí nghiệm động. - Thí nghiệm này nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của hệ RTK-GPS sử dụng cả máy thu GPS giá rẻ và ăng ten giá rẻ cho trạm động và trạm cơ sở. - Thí nghiệm động được thực hiện ở chế độ Kinematic với hai trường hợp: trạm động đứng yên và di chuyển theo hình vuông. - Khoảng cách từ trạm cơ sở tới khu vực thí nghiệm khoảng 100 m.. - Thí nghiệm được thiết kế như Hình 6. - Trạm động gồm một máy tính laptop cài đặt thư viện RTKLIB để thực hiện thu thập dữ liệu, xử lý và lưu trữ dữ liệu từ máy thu GPS NEO-6P và từ trạm cơ sở gửi qua. - Thí nghiệm 1: Trạm động đứng yên. - Vị trí trạm động thu thập được sau 10 phút ở trạng thái tĩnh được thể hiện ở Hình 7. - Khoảng dịch chuyển vị trí trong thí nghiệm này được thể hiện qua Bảng 4.. - Thí nghiệm 2: Di chuyển theo hình vuông Trong thí nghiệm này, trạm động sẽ di chuyển bám theo quỹ đạo hình vuông (đường kẻ của sân bóng chuyền) với độ dài cạnh 9 m. - Trạm động được người điều khiển dịch chuyển chậm và đều để trạm động dịch chuyển với tốc độ ổn định nhất có thể. - Tốc độ trung bình của trạm động tính toán được bằng phần mềm là 0.2 m/s. - Kết quả sau khi trạm động kết thúc 1 vòng và kết thúc 3 vòng di chuyển theo quỹ đạo được lần lượt thể hiện ở Hình 8a và Hình 8b.. - Trong thí nghiệm này, tỉ lệ lời giải Fix là 68.8%, hệ thống có độ chính xác cao và sai số so với đường chuẩn khoảng 0.3 m.. - Thí nghiệm được lặp lại vào một ngày khác với việc di chuyển 9 lần bám theo quỹ đạo hình vuông như trước. - Ở thí nghiệm trước, thí nghiệm được bắt đầu sau khi có lời giải FIX và vị trí trạm động tính toán được có độ sai lệch nhỏ (Hình 7b). - Tuy nhiên, lần thí nghiệm này được bắt đầu sau khi tọa độ trạm động có độ sai lệch nhỏ mặc dù chưa tìm được lời giải FIX. - nghiệm ở 4 vòng quỹ đạo đầu với lời giải FLOAT, trạm động vẽ được đường đi hình vuông và 4 quỹ đạo gần như trùng nhau. - Năm quỹ đạo hình vuông sau đó của trạm động có các vị trí với lời giải FIX chiếm đa số và các quỹ đạo này cũng gần như trùng nhau. - Hình 7: (a) Vị trí và (b) độ lệch vị trí của trạm động ở trạng thái tĩnh theo thời gian trong thí nghiệm động. - Hình 8: Vị trí trạm động sau (a) 1 lần và (b) 3 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông. - Hình 9: Vị trí trạm động theo thời gian trong 9 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông. - Hình 10: Vị trí trạm động sau 9 lần di chuyển theo quỹ đạo hình vuông 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT. - Trong nghiên cứu này, một số kỹ thuật định vị được sử dụng đối với máy thu GPS (NEO-6P và LEA-6T) và ăng ten giá rẻ (ANN-MS-0-005) thông qua hai thí nghiệm tĩnh và động. - Kết quả thí nghiệm cho thấy kỹ thuật định vị động Real-Time Kinematic GPS có thể được áp dụng để nâng cao. - độ chính xác của hệ thống máy thu và ăng ten giá rẻ (chỉ sử dụng tần số L1 và có thể cung cấp dữ liệu thô) so với việc định vị thông thường hay định vị chính xác điểm. - Khi áp dụng kỹ thuật RTK-GPS sử dụng phần mềm RTKLIB cùng với việc tự xây dựng trạm cơ sở, độ chính xác trong tính toán vị trí trạm động ở trạng thái tĩnh đạt được khoảng 0.2 m.. - Thí nghiệm với trạm động di chuyển theo một quỹ. - đạo hình vuông định trước cho thấy độ chính xác đạt được khoảng 0.3 m. - Sai số của thí nghiệm này một phần cũng do địa điểm thí nghiệm chưa thật sự tốt (tòa nhà cao tầng và cây lớn xung quanh) và vị trí trạm cơ sở chưa thật sự chính xác. - Để có thể sớm triển khai sử dụng cho lĩnh vực nông nghiệp chính xác, cần sử dụng một số phương pháp định vị DGPS như sử dụng hệ thống SBAS (Satellite Based Augmentation System) để xác định tọa độ trạm cơ sở chính xác hơn. - Ngoài ra cũng cần đánh giá sai số do tốc độ di chuyển của trạm động và khoảng cách giữa trạm động và trạm cơ sở để có thể ứng dụng hệ RTK-GPS giá rẻ ở các cánh đồng mẫu lớn.