Các phương pháp định vị phổ biến trong đo đạc

Trong thời đại công nghệ hiện đại, các phương pháp định vị đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như giao thông vận tải, viễn thông, nông nghiệp thông minh, và các dịch vụ định vị cá nhân. Hệ thống GNSS (Global Navigation Satellite System) là nền tảng cốt lõi cho các phương pháp định vị hiện nay. Trong đó, hai phương pháp phổ biến nhất chính là định vị tuyệt đối với sự hỗ trợ của các thiết bị như máy GNSS RTK và máy định vị GPS cầm tay. Hãy cùng Việt Thanh Group tìm hiểu về các phương pháp định vị.

Các phương pháp định vị phổ biến

Phương pháp định vị tuyệt đối

Trong phương pháp định vị tuyệt đối, phép đo chỉ cần thực hiện với một máy thu GNSS duy nhất, và máy này trực tiếp nhận tín hiệu từ các vệ tinh trong hệ thống GNSS (như GPS, GLONASS, Galileo hoặc BeiDou). Đây là phương pháp tiêu chuẩn, đơn giản và phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực đời sống như hệ thống định vị trên ô tô, điện thoại di động, thiết bị cầm tay cho du lịch hoặc thể thao.

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tính toán vị trí dựa trên tín hiệu vệ tinh, với điều kiện máy thu phải quan sát đồng thời ít nhất 4 vệ tinh để xác định được tọa độ 3D và thời gian chính xác. Tuy nhiên, phương pháp định vị tuyệt đối chịu ảnh hưởng lớn từ các nguồn sai số như: sai số đồng hồ vệ tinh, sai số quỹ đạo, trễ tầng đối lưu và tầng điện ly, đa đường (multipath) và nhiễu đo.

Phương pháp định vị tuyệt đối được chia làm 2 loại chính:

Định vị tuyệt đối khoảng cách giả

Đây là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất. Máy thu sử dụng khoảng cách giả từ vệ tinh tới anten thu để tính toán vị trí. Khoảng cách giả có thể được xác định bằng:

Trị đo khoảng cách giả theo pha (dựa trên pha sóng mang GNSS).
Trị đo khoảng cách giả theo tín hiệu code (C/A code hoặc P code).
Trị đo Doppler (dựa trên hiệu khoảng cách thay đổi theo thời gian).

Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, giá thành thấp, cho phép xác định vị trí với độ chính xác khoảng 3 – 10 mét trong điều kiện quan sát tốt. Tại Việt Nam, các thiết bị điển hình áp dụng phương pháp này là máy định vị GPS cầm tay thương hiệu Garmin, như Garmin eTrex 22x, Garmin Montana 700,… Các thiết bị này thường được sử dụng trong:

Hoạt động du lịch, trekking, khám phá địa hình.
Định vị cho các phương tiện vận tải.
Hoạt động thể thao ngoài trời.

Định vị tuyệt đối chính xác

PPP là phương pháp định vị tiên tiến hơn, cũng chỉ sử dụng một máy thu GNSS nhưng được hỗ trợ bởi các dữ liệu hiệu chỉnh chính xác về quỹ đạo và đồng hồ vệ tinh từ các trung tâm điều hành GNSS.

PPP cho phép xác định tọa độ không gian của vị trí đặt máy trong hệ tọa độ ITRF hoặc WGS-84 với độ chính xác cao hơn so với định vị thông thường.
Độ chính xác có thể đạt đến vài cm – vài dm, nhưng thời gian hội tụ thường dài (15 – 60 phút).

Phương pháp này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao nhưng không cần mạng lưới trạm tham chiếu, như:

Quan trắc dịch chuyển vỏ trái đất.
Nghiên cứu hải dương học.
Một số ứng dụng trong dầu khí, khai thác xa bờ.

Đối với phương pháp định vị tuyệt đối, không có cơ chế loại bỏ hoặc giảm ảnh hưởng từ sai số GNSS (như khi dùng định vị tương đối hoặc DGPS). Do đó, phương pháp này không phù hợp với các công tác đo đạc trắc địa hoặc thi công xây dựng yêu cầu độ chính xác cao (cỡ mm hoặc cm).

Phương pháp định vị tương đối

Phương pháp định vị tương đối là kỹ thuật xác định hiệu tọa độ giữa các điểm quan sát trong hệ tọa độ Trái Đất (ECEF). Nói cách khác, thay vì tính trực tiếp vị trí tuyệt đối của từng điểm, phương pháp này dựa trên so sánh kết quả đo GNSS từ hai hoặc nhiều máy thu tại các điểm khác nhau để loại bỏ hoặc giảm thiểu các sai số chung từ vệ tinh, môi trường truyền sóng và đồng hồ.

Phương pháp định vị GNSS tương đối có thể được thực hiện dựa trên:

Khoảng cách giả (Pseudo-range) – tính toán dựa trên tín hiệu mã (code).
Trị đo pha sóng tải (Carrier Phase) – cho độ chính xác cao hơn nhiều lần.
Đôi khi, để giải nhanh số nguyên đa trị (integer ambiguity), người ta còn kết hợp thêm trị đo Doppler để hỗ trợ.

Nhờ khả năng loại bỏ phần lớn sai số, kết quả thu được từ phương pháp định vị tương đối đạt độ chính xác rất cao, từ cấp centimet đến milimet tùy theo kỹ thuật và thời gian quan sát. Chính vì vậy, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong những công việc đòi hỏi tính chính xác và độ tin cậy tuyệt đối, chẳng hạn như:

Xây dựng lưới khống chế trắc địa quốc gia.
Lưới chuyên dụng cho trắc địa công trình.
Nghiên cứu địa động lực và dịch chuyển vỏ trái đất.
Quan trắc biến dạng công trình, cầu, đập thủy điện, mỏ khai thác.

Các loại phương pháp định vị tương đối

Phương pháp GNSS tương đối được chia thành hai loại chính:

Đo tĩnh

Nguyên lý: Sử dụng ít nhất 2 máy thu GNSS trở lên như máy RTK Hi-Target V200. Các máy này được đặt cố định tại các điểm mốc trong một khoảng thời gian đủ dài, thường từ vài chục phút đến vài giờ tùy độ chính xác yêu cầu và khoảng cách giữa các điểm. Tất cả máy thu sẽ ghi nhận dữ liệu đồng thời từ cùng một tập hợp vệ tinh.
Thiết bị: Có thể sử dụng máy GNSS 1 tần số hoặc 2 tần số (máy hai tần cho độ chính xác cao và khoảng cách dài hơn).
Đặc điểm nổi bật: Độ chính xác đạt đến mm – cm, nhưng thời gian xử lý lâu và yêu cầu tính toán hậu kỳ (post-processing).

Đo động thời gian thực

Nguyên lý:

Một máy thu đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ và cao độ, gọi là Trạm cơ sở (Base).
Một hoặc nhiều máy thu khác di chuyển trong khi đo, gọi là Trạm động (Rover).
Trạm Base sẽ truyền dữ liệu hiệu chỉnh theo thời gian thực cho Rover qua sóng vô tuyến hoặc mạng internet (NTRIP).

Thời gian quan sát: Rất nhanh, chỉ từ vài giây đến vài phút để có kết quả với độ chính xác cm.

Yêu cầu thiết bị: Bắt buộc sử dụng máy GNSS 2 tần số trở lên để đảm bảo độ ổn định và khả năng giải số nguyên nhanh.

Thiết bị hoạt động độc lập, chỉ cần thu tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh để xác định vị trí tại một điểm cụ thể mà không phụ thuộc vào trạm tham chiếu. Máy định vị GPS cầm tay Garmin eTrex 22x là một lựa chọn điển hình cho phương pháp này. Với thiết kế nhỏ gọn, khả năng thu nhận tín hiệu mạnh từ hệ thống vệ tinh GPS và GLONASS, máy cho phép người dùng xác định vị trí nhanh chóng và hiệu quả ngay cả trong điều kiện rừng rậm hoặc địa hình phức tạp.

Máy GNSS RTK Satlab Freyja là một ví dụ điển hình cho thiết bị sử dụng phương pháp này. Với khả năng thu nhận đa tín hiệu từ nhiều hệ thống vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou), Satlab Freyja cho phép người dùng thực hiện các công tác khảo sát, đo đạc địa hình, hoặc bố trí công trình với độ tin cậy và hiệu quả cao, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về độ chính xác trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và xây dựng.

>>>Xem thêm: Xác định ranh giới đất rừng: Giải pháp hiệu quả với máy định vị GPS cầm tay

Ứng dụng về phương pháp định vị tuyệt đối

Trong lĩnh vực trắc địa, xây dựng và khảo sát hạ tầng kỹ thuật, phương pháp định vị tuyệt đối và phương pháp định vị tương đối (hay còn gọi là định vị vi sai) là hai kỹ thuật định vị bằng GNSS phổ biến, mỗi phương pháp đều có những ứng dụng đặc thù riêng tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và điều kiện công trường.

Phương pháp định vị tuyệt đối sử dụng tín hiệu từ các vệ tinh GNSS để xác định trực tiếp vị trí của thiết bị thu, mà không cần tham chiếu đến một điểm cố định nào khác. Ứng dụng chính của phương pháp này thường nằm trong các công việc lập bản đồ địa hình quy mô lớn, khảo sát sơ bộ khu vực xây dựng, quản lý đất đai, theo dõi tài sản di động, định vị máy móc trong nông nghiệp chính xác, và các hệ thống định vị phương tiện. Do có thể triển khai nhanh, không cần trạm gốc hỗ trợ, định vị tuyệt đối thường phù hợp với các nhiệm vụ không yêu cầu độ chính xác quá cao (sai số khoảng vài mét đến dưới 1 mét khi dùng các hệ thống hỗ trợ như WAAS hoặc SBAS).

Ngược lại, phương pháp định vị tương đối lại cung cấp độ chính xác vượt trội nhờ so sánh tín hiệu GNSS giữa hai thiết bị thu – một cố định tại điểm đã biết tọa độ (trạm gốc) và một di động (rover). Sự chênh lệch tín hiệu giữa hai máy được sử dụng để tính toán vị trí chính xác của máy di động, cho phép đạt được độ chính xác từ centimet đến milimet. Phương pháp này là lựa chọn không thể thiếu trong các công tác thi công xây dựng công trình, bố trí tim trục, đo biến dạng địa chất, kiểm tra lún, khảo sát địa chính và trắc địa công trình.

Phương pháp này mang lại độ chính xác cao, thường áp dụng trong các công trình cần khảo sát chi tiết như xây dựng hạ tầng kỹ thuật, đo lún công trình, nghiên cứu địa chất, hoặc giám sát dịch chuyển bề mặt đất. Garmin Montana 700 là thiết bị lý tưởng để phục vụ cho các ứng dụng định vị tương đối. Với màn hình cảm ứng lớn, pin bền bỉ và khả năng thu tín hiệu đa tần, Montana 700 giúp người dùng dễ dàng kết nối với trạm gốc và thực hiện đo đạc chính xác từng cm.

>>>Xem thêm: Định vị trên biển: Giải pháp hiệu quả với máy định vị GPS cầm tay

Lưu ý khi áp dụng các phương pháp định vị GNSS

Độ chính xác phụ thuộc vào điều kiện môi trường
Cả hai phương pháp định vị GNSS đều chịu ảnh hưởng từ điều kiện thời tiết, mật độ vật cản (như tòa nhà cao tầng, rừng rậm) và hiện tượng nhiễu tín hiệu. Để có kết quả tốt nhất, nên chọn khu vực thoáng, ít vật cản và kiểm tra tình trạng vệ tinh trước khi đo.

Thiết bị và công nghệ ảnh hưởng đến sai số
Với định vị tuyệt đối, thiết bị phổ thông như điện thoại thông minh sẽ cho sai số vài mét. Trong khi đó, để đạt độ chính xác cao với định vị tương đối (đặc biệt là RTK), cần sử dụng thiết bị GNSS chuyên dụng, phần mềm xử lý dữ liệu và đôi khi phải kết hợp mạng truyền dữ liệu hiệu chỉnh (CORS).

Thời gian quan sát đóng vai trò quan trọng
Để nâng cao độ chính xác, đặc biệt trong định vị tương đối, cần duy trì thời gian quan sát đủ lâu nhằm hạn chế sai số đa đường (multipath) và hỗ trợ giải đa trị nhanh hơn.

Yếu tố nhân lực và kỹ thuật
Định vị tương đối yêu cầu người thực hiện có kiến thức chuyên sâu về GNSS, phương pháp đo và xử lý dữ liệu. Nếu thiếu kinh nghiệm, kết quả định vị có thể sai lệch hoặc mất thời gian xử lý.

Máy GNSS RTK Hi-Target V500 là một công cụ mạnh mẽ hỗ trợ cả các phương pháp đo đạc Với bộ thu sóng GNSS đa kênh, V500 có khả năng thu thập dữ liệu chất lượng cao, giúp người dùng thực hiện các dự án khảo sát trắc địa, thành lập lưới khống chế hoặc giám sát biến dạng với độ chính xác vượt trội sau quá trình xử lý dữ liệu.

Xem xét mục đích sử dụng trước khi lựa chọn phương pháp

Nếu chỉ cần xác định vị trí cơ bản (như tìm đường, định vị phương tiện), nên chọn định vị tuyệt đối vì chi phí thấp, dễ sử dụng.

Nếu yêu cầu độ chính xác cao (khảo sát, xây dựng công trình, quan trắc), hãy chọn định vị tương đối hoặc các phương pháp nâng cao như RTK hoặc PPK.