NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN TAM ĐẢO

So sánh, đánh giá độ chính xác của các điểm đo chi tiết bằng công nghệ GPS đo động thời gian thực với phương pháp đo vẽ chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử .... Số hóa bởi Trung tâm Học l

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN KIỀU HƯNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

KỸ THUẬT GPS ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TRONG THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH

TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN TAM ĐẢO

Ngành: Quản lý đất đai

Mã số : 60 85 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Viết Khanh

Thái Nguyên - 2014

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã chỉ rõ nguồn gốc

Vĩnh Phúc, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Kiều Hưng

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Viết Khanh –Phó Giám đốc Trường Đại học Thái Nguyên người đã chỉ bảo và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình học tập nghiên cứu đề tài và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Quản lý Tài nguyên, Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên

đã giảng dạy, đóng góp ý kiến, tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình cho tôi học tập

và hoàn thành luận văn của mình

Trong thời gian thực hiện, tôi cũng đã nhận được sự giúp đỡ, tạo điều kiện của lãnh đạo Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc, UBND huyện Tam Đảo, Trung tâm Đo đạc và Bản đồ Vĩnh Phúc, các đơn vị và cá nhân có liên quan đã giúp

đỡ tôi trong quá trình thu thập số liệu và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

đã làm chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi học tập và công tác

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quý báu đó!

Vĩnh Phúc, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Kiều Hưng

Trang 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 2

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Cơ sở khoa học của hệ thống GPS 3

1.1.1 Sự hình thành của hệ thống GPS 3

1.1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS 5

1.2 Các phương pháp đo GPS 11

1.2.1 Đo GPS tuyệt đối 11

1.2.2.Đo GPS tương đối 12

1.3 Kỹ thuật đo GPS đo động thời gian thực 18

1.3.1 Mô hình toán học của phương pháp đo pha GPS 18

1.3.2 Các trị đo pha phân sai 21

1.3.3 Độ chính xác của một số máy thu GPS 24

1.4 Tình hình ứng dụng GPS trong thu thập dữ liệu không gian 26

1.4.1 Tình hình ứng dụng GPS trên thế giới 26

1.4.2 Tình hình ứng dụng GPS ở Việt Nam 26

Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu 29

2.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.2.1 Khái quát địa bàn nghiên cứu 29

Trang 5

2.2.2 Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu trong kỹ thuật GPS đo động thời gian

thực 29

2.2.3 Ứng dụng GPS đo động thời gian thực thành lập lưới khống chế đo vẽ và đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính 29

2.2.4 So sánh, đánh giá độ chính xác của các điểm đo chi tiết bằng công nghệ GPS đo động thời gian thực với phương pháp đo vẽ chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử 29

2.2.5 Ưu điểm, hạn chế của việc Ứng dụng GPS đo động thời gian thực và đề xuất một số giải pháp 29

2.3 Phương pháp nghiên cứu 31

2.3.1 Phương pháp điều tra thu thập tài liệu 31

2.3.2 Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu 31

2.3.3 Phương pháp so sánh 31

2.3.4 Phương pháp đo GPS đo động thời gian thực 31

2.3.5 Phương pháp chuyên gia 35

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 36

3.1 Khái quát địa bàn nghiên cứu 36

3.1.1 Khái quát về điều kiện tự nhiên 36

3.1.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 38

3.1.3 Hiện trạng sử dụng đất 39

3.1.4 Hiện trạng hồ sơ địa chính 41

3.2 Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu trong kỹ thuật GPS đo động thời gian thực 43

3.2.1 Điều kiện thử nghiệm 43

3.2.2 Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu trong kỹ thuật GPS đo động thời gian thực 51

3.3 Thử nghiệm ứng dụng GPS đo động thời gian thực trong thành lập lưới khống chế đo vẽ và đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính 58

3.3.1 Thử nghiệm ứng dụng GPS đo động thời gian thực trong thành lập lưới khống chế đo vẽ (Thử nghiệm với 1 trạm Base) 58

Trang 6

3.3.2 Thử nghiệm ứng dụng GPS đo động thời gian thực trong đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính 69

3.4 So sánh, đánh giá độ chính xác của các điểm đo chi tiết bằng công nghệ đo GPS động thời gian thực với phương pháp đo vẽ chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử 73 3.5 Ưu điểm, hạn chế và đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động thời gian thực trong đo đạc địa chính 74

3.5.1 Đánh giá ưu điểm nhược điểm của kỹ thuật GPS đo động thời gian thực 743.5.2 Đề xuất một số một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS đo động thời gian thực trong đo đạc địa chính 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

Trang 7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DGPS : Đo GPS cải chính phân sai

(DGPS- Differential GPS)

GPS : Hệ thống định vị toàn cầu

(Global Positioning System)

PDOP : Độ suy giảm độ chính xác vị trí điểm

(Posittion Dilution of Precision)

PPK : Đo động xử lý sau

(Post Processing Kinematic)

RTK : Đo động thời gian thực

(Real Time Kinematic)

UBND : Ủy ban nhân dân

WGS-84 : Hệ tọa độ

(World Geodetic System 1984)

Trang 8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS 18

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS có khả năng đo động 24

Bảng 3.1 Hiện trạng sử dụng đất huyện Tam Đảo năm 2013 40

Bảng 3.2.Tổng hợp kết quả đo đạc lập bản đồ địa chính đến tháng 06/2013 41

Bảng 3.3 Tổng hợp hiện trạng hồ sơ địa chính huyện Tam Dảo 42

Bảng 3.4 Khái quát về các khu đo thử nghiệm 46

Bảng 3.5 Bảng tọa độ các điểm trạm Base 47

Bảng 3.6 Bảng tọa độ các điểm trạm Rover 49

Bảng 3.7 Kết quả thử nghiệm khu đo xã Đại Đình 53

Bảng 3.8 Kết quả thử nghiệm khu đo xã Hợp Châu 55

Bảng 3.9 Kết quả đo GPS RTK khu đo xã Đại Đình sử dụng 1 trạm Base 092407 58

Bảng 3.10 Kết quả đo GPS RTK khu đo xã Đại Đình sử dụng 1 trạm Base 092410 61

Bảng 3.11 Kết quả đo GPS RTK khu đo xã Hợp Châu sử dụng 1 trạm Base 092419 64

Bảng 3.12 Kết quả đo GPS RTK khu đo xã Hợp Châu sử dụng 1 trạm Base 092410 66

Bảng 3.13 Bảng số liệu đo chi tiết bằng kỹ thuật GPS RTK 72

Bảng 3.14 Bảng so sánh số liệu đo chi tiết bằng kỹ thuật GPS RTK với số liệu đo bằng máy toàn đạc điện tử 73

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS 5

Hình 1.2 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 6

Hình 1.3 Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất 6

Hình 1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS 8

Hình 1.5 Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005 9

Hình 1.6 Một số loại máy thu GPS của hãng Trimble và Huace 11

Hình 1.7 Máy thu GPS X91 GNSS và hệ thống Radio Link DL5 14

Hình 1.8 Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng do máy thu phát ra 18

Hình 1.9 Sơ đồ tính các trị đo pha phân sai 21

Hình 3.1 Khu đo thực nghiệm tại xã Đại Đình, huyện Tam Đảo 44

Hình 3.2 Khu đo thực nghiệm tại xã Hợp Châu, huyện Tam Đảo 45

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn sai số của tọa độ x, y của trạm Rover đối với thời gian đo 53

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sai số của độ cao h của trạm Rover đối với thời gian đo 53

Hình 3.5 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng 1 trạm Base 092407 57

Hình 3.9 Sự suy giảm độ chính xác theo khoảng cách khi sử dụng một trạm Base(tổng hợp 40 điểm đo) 64

Hình 3.10 Đo thử nghiệm tại tiểu khu 1 66

Hình 3.11 Đo thử nghiệm tại tiểu khu 2 67

Trang 10

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên, tài sản quốc gia quý báu, là địa bàn để phân bố dân cư và các hoạt động kinh tế, xã hội quốc phòng, an ninh; là nguồn vốn, nguồn nội lực để xây dựng và phát triển bền vững quốc gia Yêu cầu đặt ra đối với

hệ thống quản lý đất đai là sử dụng tài nguyên đất một cách hợp lý và hiệu quả nhất, nhằm đảm bảo thực hiện tốt các mục tiêu phát triển kinh tế và công bằng xã hội, tài nguyên đất được bảo vệ tốt vì vậy xây dựng một hệ thống quản lý đất đai hiện đại là một nhiệm vụ cần thiết nhằm mang lại lợi ích thiết yếu cho phát triển kinh tế, tạo công bằng xã hội và bảo vệ môi trường Một hệ thống quản lý đất đai hiện đại sẽ đảm bảo quyền lợi hợp lý của Nhà nước, nhà đầu tư và người sử dụng đất cũng như mọi thành phần có liên quan Hệ thống hồ sơ địa chính gồm bản đồ địa chính và hệ thống sổ sách đi kèm phải được thiết lập rõ ràng cho từng thửa đất, người sử dụng đất có giấy chứng nhận quyền sử dụng đất là điều kiện tối thiểu để đưa pháp luật đất đai vào cuộc sống, khắc phục tình trạng vi phạm pháp luật về đất đai, sử dụng đất không hiệu quả, lãng phí của cả người sử dụng đất cũng như người quản lý

Hiện nay, công tác thành lập bản đồ địa chính và bản đồ địa hình tỷ lệ lớn chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp toàn đạc điện tử Đây là phương pháp có độ chính xác tốt, cho phép đo vẽ ở mức độ chi tiết cao nhất, tuy nhiên có yếu điểm là phải dựa trên mạng lưới đo vẽ dày đặc và phải đảm bảo thông hướng giữa các trạm

đo dẫn đến năng suất lao động rất hạn chế trong những khu vực có địa hình dày đặc Những năm gần đây hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) ngày càng phát triển hoàn thiện và sử dụng rộng rãi, hiệu quả với độ chính xác cao đã được ứng dụng rộng rãi trong đo đạc bản đồ bởi các tính ưu việt như: có thể xác định tọa độ của các điểm từ các điểm gốc mà không cần thông hướng, việc

đo đạc nhanh, đạt độ chính xác cao, ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa phương và được ghi dưới

Trang 11

dạng file số nên dễ dàng nhập vào các phần mềm đo vẽ bản đồ hoặc các hệ thống cơ

Xuất phát từ lý do này, tôi đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu khả năng ứng dụng kỹ thuật GPS đo động thời gian thực trong

thành lập bản đồ địa chính trên địa bàn huyện Tam Đảo”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng kỹ thuật GPS đo động thời gian thực trong công tác thành lập bản

đồ địa chính, từ đó đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả của kỹ thuật đo GPS động thời gian thực bằng các máy thu 2 tần số trong đo đạc địa chính trên cơ sở kết quả đo thử nghiệm tại một số khu vực của huyện Tam Đảo

1.3 Ý nghĩa của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Làm rõ được ảnh hưởng của tham số đo tới kết quả đo GPS động thời gian thực, và khả năng ứng dụng phương pháp đo GPS động thời gian thực trong đo đạc địa chính Từ đó đề xuất một số giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng kỹ thuật đo GPS động thời gian thực trong đo đạc địa chính

- Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả của đề tài tạo ra cơ sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất đưa phương pháp đo GPS động thời gian thực vào công tác phát triển lưới khống chế đo vẽ, đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn

Trang 12

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở khoa học của hệ thống GPS

1.1.1 Sự hình thành của hệ thống GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ XX, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất của hệ TRANSIT

Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m Do vậy, trong công tác trắc địa - bản đồ hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài

Nó không thỏa mãn được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công bước đầu của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging – Global Positioning System) gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm

24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao một cách đáng kể so với TRANSIT và nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục

Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS khối I Từ năm 1978 dến 1985 có 11 vệ tinh khối I đã được

Trang 13

phóng vệ tinh thế hệ thứ II(Khối II) bắt đầu từ năm 1989 Hiện thời có 24 vệ tinh

đã được triển khai quĩ đạo quanh trái với chu kỳ 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.200

km Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (khối IIR, IIR-M và II-F) được thiết kế thay cho những vệ tinh khối II, cho đến nay đã có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt động trên quỹ đạo [5]

Gần như đồng thời với hệ thống GPS của Mỹ, Nga cũng phát triển một hệ thống tương tự với tên gọi GLONASS (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) Hiện nay Liên minh Châu Âu đang phát triển hệ dẫn đường vệ tinh của mình mang tên GALILEO, hiện đã có một số vệ tinh đã được đưa lên quỹ đạo và hệ thống dự kiến được đưa vào sử dụng năm 2014 Trung Quốc thì phát triển hệ thống định vị toàn cầu của mình mang tên BEIDOU (Bắc Đẩu) bao gồm 35 vệ tinh Ngoài ra còn một số hệ thống định vị vệ tinh khác được sử dụng ở một số nơi trên thế giới

Những ứng dụng sớm nhất của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng, năm 1983 người ta đã xây dựng mạng lưới trắc địa ở Elfel (CHLB Đức), tiếp theo đó nhiều mạng lưới khác cũng được xây dựng ở Montgomery County, Pennsylvania (Mỹ), Ở Việt Nam, ngay từ những năm 1991-

1992 chúng ta cũng đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng một số mạng lưới tọa

độ nhà nước hạng II ở những vùng khó khăn chưa có lưới khống chế (Minh Hải, Tây Nguyên, ) Sử dụng GPS để xây dựng lưới trắc địa biển, kết nối đất liền với các hải đảo trong một hệ thống tọa độ chung Trong những năm 1995-1997 chúng ta

đã xây dựng mạng lưới GPS cấp “0”, trên cơ sở đó thành lập hệ quy chiếu Quốc gia mới (VN-2000) cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30.000 điểm)

Hiện nay, hệ thống GPS vẫn đang phát triển và ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), đươc ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu quả [6]

Trang 14

1.1.2 Cấu trúc của hệ thống GPS

GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment):

- Đoạn không gian (Space Segment);

- Đoạn điều khiển (Control Segment);

- Đoạn sử dụng (User Segment)

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống GPS

1.1.2.1 Đoạn không gian

Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26.600 km Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là

718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí quan trắc nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng

Trang 15

có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS - điều kiện tối thiểu để có thể định vị được trong không gian 3 chiều

Hình 1.2 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS

Hình 1.3 Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất

Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS

Trang 16

Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:

- 2 sóng tải (hay sóng mang - carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1

và L2;

- Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code);

- Thông báo định vị (navigation message)

Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f0 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định

vị Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được tính từ tần số cơ bản như sau:

Mhz42.1575

Mhz60.1227

1

L

L f

Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36 Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một mã giả ngẫu nhiên Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng Có 2 loại mã giả ngẫu nhiên là:

- C/A-code (viết tắt của từ "clear/access code" hay "coarse/acquisition code"), được phát đi ở tần số 1.023MHz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại) Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1

Trang 17

- P-code (viết tắt của từ "private code" hay "precise code"), được phát đi ở tần

số 10.23MHz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày Số 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải là L1 và L2 Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code được mã hóa thành Y-code

và người dùng dân sự không sử dụng được

- Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh;

+ Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai lệch đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái (hay sức khỏe) của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa, );

+ Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly

Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị Các thông báo định vị được phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của

mã C/A-code Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [1]

Trang 18

Hình 1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS [1]

1.1.2.2 Đoạn điều khiển (Control segment)

Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dõi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Đông Thái Bình Dương) Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất

Các trạm điều khiển theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được Các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển trung tâm (MCS – master control station), tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện

và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó

từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng

Như vậy, vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng, bảo đảm độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS

Trang 19

Hình 1.5 Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005

Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa không gian

Mỹ (NGA: National Geospatial-Intelligence Agency) đã được thêm vào phần điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 (hình 1.5) Với số lượng trạm điều khiển như vậy, mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được thấy ít nhất từ 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính xác hơn Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh luôn luôn có thể nhìn được tối thiểu 3 trạm điều khiển [1]

1.1.2.3.Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng,

kể cả ở trên không, trên biển và trên đất liền

Đoạn sử dụng bao gồm các thành phần sau:

- Phần cứng: thu tín hiệu và thực hiện đo đạc;

- Phần mềm: các thuật toán định vị, giao diện người sử dụng,

Trạm điều

khiển cũ Trạm điều

khiển mới

Trang 20

- Các thao tác, thủ tục

Các thiết bị của phần sử dụng rất đa dạng bởi chúng phục vụ cho rất nhiều ứng dụng khác nhau của GPS Các thiết bị này thường được phân loại theo loại trị đo mà chúng có thể thực hiện được, đó là:

+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích dân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code ở tần số L1

+ Các máy thu GPS để định vị trong các mục đích quân sự, chúng sử dụng phương pháp đo mã C/A-code và P-code ở cả 2 tần số L1 và L2

+ Các máy đo pha một tần số (L1);

+ Các máy đo pha 2 tần số L1 và L2

Trong số 4 loại máy trên thì 2 loại sau được sử dụng trong đo đạc địa chính vì chúng cho độ chính xác rất cao, tới vài millimét [1]

Trang 21

Là phương pháp xác định tọa độ của các điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh

trong hệ tọa độ toàn cầu WGS-84 Phương pháp định vị này là việc tính tọa độ của các điểm nhờ việc giải bài toán giao hội cạnh trong không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và tọa độ của các vệ tinh tại thời điểm đo Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác định vị thấp (sai số khoảng 5-15m), không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn đường và mục đích đo đạc có độ chính xác không cao Phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh [7]

1.2.2.Đo GPS tương đối

Thực chất của phương pháp đo này là xác định hiệu tọa độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của cạnh đáy (Baseline) cần đo Loại trị đo được

sử dụng là pha của sóng tải Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa

và thành lập bản đồ các tỷ lệ Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo Tùy thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành 4 dạng đo tương đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (Fast- Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic) Tùy

từng mạng lưới mà sử dụng phương pháp đo thích hợp [7]

1.2.2.1 Phương pháp đo GPS tĩnh (Static)

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase sóng mang (carrier phase) Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên

Thời gian đo kéo đài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư (nhiều hơn 4 vệ tinh), và giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất

Dữ liệu đo tĩnh xử lý sau và cho kết quả định vị tốt hơn qua việc tinh chỉnh mô hình được sử dụng

Trang 22

Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụng có độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa ( 1cm + 1ppm) [5]

1.2.2.2 Phương pháp đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp đo tĩnh nhanh tương tự như phương pháp đo tĩnh, nhưng thời gian đo ngắn hơn (khoảng 5 đến 10 phút) Thời gian đo được giảm đáng kể so với

đo tĩnh là do giải nhanh được số nguyên chu kỳ

Thời gian đo được giảm xuống nhờ vào việc sử dụng C/A-code (và / hay code) và kỹ thuật Wide-laning để ước tính khoảng cách gần đúng và giảm thiểu miền tìm kiếm số nguyên chu kỳ Cùng với đó, phần mềm xử lý số liệu cũng sử dụng những thuật toán nâng cao để giảm thiểu yêu cầu đối với khoảng thời gian thu tín hiệu

P-Trước đây, chỉ có máy thu 2 tần số mới có thể đo tĩnh nhanh Gần đây, nhiều máy thu 1 tần số (ví dụ như Trimble 4600LS, R3) đã bắt đầu có khả năng sử dụng

kỹ thuật này Tuy nhiên, việc sử dụng máy thu 2 tần số vẫn có ưu thế bởi thời gian

đo ngắn hơn và độ chính xác cao hơn Kỹ thuật đo tĩnh nhanh thích hợp cho các cạnh đáy ngắn (<15-20km)

1.2.2.3 Phương pháp đo GPS động (Kinematic)

Phương pháp này cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng 5 đến 15 giây tùy thuộc vào tần suất ghi tín hiệu Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên chu kỳ của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết, tức là nối với 2 điểm đã biết tọa độ Sau khi đã xác định được số nguyên chu kỳ thì nó được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt ca đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm

đo chỉ khoảng vài chục giây, không phải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo Máy này được gọi là

Trang 23

máy cố định (base station) Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong 20-60 giây Việc làm này gọi là khởi đo (initialization) Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút, và cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt ca

đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng để không xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn (gọi là trượt chu kỳ - cycle slip) Nếu xảy ra trường hợp này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km và

có độ chính xác cỡ centimét là đủ Trong phương pháp đo động, có thể dùng các kỹ thuật đo khác nhau như: đo liên tục (continuous), hoặc “dừng và đi” (Stop and Go) hoặc đo kiểu đánh dấu sự kiện (Events Markers) Trong đó kỹ thuật đo “dừng và đi” (Stop and Go) được dùng nhiều trong đo chi tiết để thành lập bản đồ địa hình, bản đồ địa chính, đo vẽ mặt cắt địa hình, đo bao các khu vực để kiểm kê diện tích đất sử dụng

Tùy thuộc vào thời điểm xử lý số đo (xử lý ngay tại thực địa hay trong phòng sau khi đo) mà người ta chia thành 2 dạng:

1 Đo GPS động thời gian thực (GPS RTK – Real Time Kinematic GPS)

Cách đo này ngoài các máy thu vệ tinh còn cần thêm hệ thống Radio Link truyền số liệu liên tục từ trạm cố định đến trạm di động và thiết bị xử lý số liệu gọn nhẹ Hệ thống Radio Link bao gồm:

+ Radio phát số liệu: Là thiết bị phát truyền số liệu được nối với máy thu vệ tinh trạm tĩnh bằng cáp mềm truyền số liệu và phát số liệu thu vệ tinh tại trạm tĩnh đến thiết bị thu số liệu tại trạm động

Trang 24

+ Radio thu số liệu: có nhiệm vụ nhập số liệu truyền từ trạm phát và truyền vào thiết bị xử lý số liệu tại trạm động tại thực địa

Hình 1.7 Máy thu GPS X91 GNSS và hệ thống Radio Link DL5

Thiết bị đồng bộ của bộ đo GPS RTK gồm các máy thu phát Radio Link, ví dụ như Trimtalk 450, Trimtalk 450S, Trimtalk 900 của hãng Trimble, Radio Link DL5 của hãng Huace

Với phương pháp GPS RTK thì tầm hoạt động của máy di động bị hạn chế (chỉ khoảng 10km) Nếu thiết lập thêm 1 trạm thu phát trung gian thì tầm hoạt động của máy đo có thể nâng cao hơn

Ngoài việc đo tọa độ điểm khống chế, đo chi tiết thực địa, phương pháp GPS RTK còn có tính năng cắm điểm có tọa độ thiết kế trước ra thực địa và dẫn đường

có độ chính xác cao

2 Đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic GPS)

Phương pháp này tọa độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng, do vậy không sử dụng thiết bị truyền số liệu Radio Link Tầm hoạt động của máy di động có thể đạt đến 50km

Trang 25

Với phương pháp này máy thu di động có năng suất lao động cao, rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế cấp đường chuyền, các điểm khống chế ảnh, đo

vẽ chi tiết bản đồ địa hình và bản đồ địa chính [2]

1.2.2.4 Phương pháp đo giả động

Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5-10 phút Sau khi đo hết lượt, máy đo động quay trở về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và đo lặp lại tại tất cả các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải bảo đảm sao cho khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ Chính trong khoảng thời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định số nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn cách nhau một tiếng đồng hồ có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được ít nhất 4 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát [4].

Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc di chuyển từ điểm nọ sang điểm kia Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che khuất Về mặt thiết kế, tổ chức đo thì chỉ nên bố trí khu vực đo tương đối nhỏ với số lượng điểm vừa phải để

có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và bảo đảm số lượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo phải có được ít nhất 4 vệ tinh

1.2.2.5 Đo GPS cải chính phân sai (DGPS- Differential GPS)

Là phương pháp đo GPS sử dụng trị đo code có độ chính xác cỡ nửa mét Nội dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (trạm tĩnh) có toạ

độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (trạm động); trên cơ sở độ lệch

Trang 26

về toạ độ đo so với toạ độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động

Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh và trạm di động phải thu số liệu đồng thời và trạm di động phải ghi được số liệu của cùng số vệ tinh mà trạm tĩnh cũng ghi được Trạm tĩnh phải đặt ở điểm đã có toạ độ Toạ độ trạm tĩnh phải nhập qua bàn phím, vào phần mềm xử lý Nếu toạ độ trạm tĩnh không chính xác kết quả tính cải chính phân sai sẽ mắc sai số cùng độ lớn và phương vị của sai số trạm tĩnh Có hai phương pháp cải chính phân sai:

- Cải chính theo trị đo pseudorange - Measurement Correction: Phần mềm Pfinder đọc file rover và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để dình vị Sử dụng số liệu trị đo code pseudorange trong file base tới từng vệ tinh trong nhóm vệ tinh đó, phần mềm xác định sai số pseudorange của từng vệ tinh so với khoảng cách thực của nó Các sai số này được dùng để cải chính số liệu định vị trong file rover

- Cải chính theo vị trí - Position Correction Phần mềm Pfinder đọc file rover và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị Nếu file số liệu trạm base cũng tính định vị đồng thời từ nhóm vệ tinh đó, thì nó sẽ xác định được sai số

về độ vĩ, độ kinh, và độ cao giữa toạ độ được của trạm base và toạ độ thực của nó Các sai số đó được phần mềm cải chính tương ứng vào toạ độ của trạm rover Phụ thuộc vào thời điểm cải chính mà người ta chia thành các phương pháp đo cải chính

phân sai sau [5]

1 Đo DGPS thời gian thực (Real Time DGPS)

Với phương pháp này, số cải chính được truyền từ trạm tĩnh tới trạm động ngay trên thực địa để cải chính cho tọa độ trạm di động và hiển thị kết quả tại thực địa ngay trong khi đo Để thực hiện được như vậy, thiết bị đo cần phải có thêm máy phát và thu tín hiệu Radio Link để truyền tín hiệu cải chính Máy phát Radio Link

có thể đặt trên mặt đất hoặc phát qua vệ tinh địa tĩnh [8]

2 Đo DGPS xử lý sau

Cũng tương tự như phương pháp đo DGPS thời gian thực nhưng số liệu cải chính không thực hiện trong quá trình đo mà nhận được sau khi xử lý số lệu trong phòng

Trang 27

Do độ chính xác không cao nên phương pháp DGPS chỉ được sử dụng trong

đo vẽ bản đồ tỷ lệ trung bình và tỷ lệ nhỏ, hoặc các công tác dẫn đường

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp các phương pháp đo GPS

Kiểu đo

Số vệ tinh tối

thiểu

Thời gian đo tối thiểu Độ chính xác đạt được Các đặc trưng khác

Các thủ tục đo như phương pháp đo tĩnh

- Khoảng cách tối đa 50km

- Cần khởi đo trên cạnh đáy đã biết hoặc bằng đo tĩnh nhanh trên cạnh chưa biết

<10km

- Cần khởi đo trên điểm biết tọa độ hoặc đo tĩnh nhanh

- 1 3m đối với máy thu khác cùng điều kiện

- Không cần thu liên tục vệ tinh, không cần Radio truyền sóng

-1 3m đối với máy thu khác cùng điều kiện

- Không cần thu liên tục vệ tinh, cần Radio truyền sóng

Các giá trị ghi trong bảng dựa trên kết quả thu được với thiết bị đo của hãng Trimble [8]

1.3 Kỹ thuật đo GPS đo động thời gian thực

1.3.1 Mô hình toán học của phương pháp đo pha GPS

Trang 28

Giả sử môi trường giữa vệ tinh k và máy thu i là chân không, tại một thời gian thực t k nào đó máy phát trong vệ tinh và máy thu cùng đồng thời phát ra tín hiệu với cùng tần số và cùng pha (tức là hai tín hiệu giống hệt nhau) Tín hiệu vệ tinh phát ra

sẽ được thu tại máy thu và tại thời điểm t máy thu sẽ đo được độ lệch pha i k (t)

(tính bằng đơn vị bước sóng) giữa tín hiệu thu được và tín hiệu do chính nó phát ra

Hình 1.8 Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng do máy thu phát ra

Nếu khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu bằng 0 thì i k (t) 0, tuy nhiên nếu khoảng cách này khác 0 thì độ lệch pha đo được cũng khác 0 bởi tín hiệu của vệ tinh mất thời gian truyền từ vệ tinh tới máy thu Khi đó [1]:

k i

k

i ( t ) ( t ) ( t ) N (1.1) Trong đó: i (t) - pha của tín hiệu phát ra từ máy thu;

k (t) - pha của tín hiệu vệ tinh nhận được ở máy thu;

Ni k - là số nguyên chu kỳ (hay trị nguyên nhập nhằng)

Giá trị Ni k là một số nguyên (chưa biết) các bước sóng và được đưa vào phương trình trên bởi máy thu chỉ có khả năng đo được phần lẻ của độ lệch pha Chú ý rằng k

i

N là số nguyên chu kỳ tại thời điểm máy thu bắt đầu bắt được (lock)

Trang 29

tín hiệu vệ tinh và số này không thay đổi trong quá trình đo đạc nếu máy thu vẫn tiếp tục thu được tín hiệu vệ tinh

Nếu đặt k

i là thời gian tín hiệu truyền qua khoảng cách từ vệ tinh k tới máy thu i thì ta có:

f t f

t t

k

) ( )

( ) ( )

Trong đó: f là tần số của sóng tải;

k() là pha của tín hiệu vệ tinh ở thời điểm nó được phát ra (tức là thời điểm nó ra khỏi vệ tinh)

Do ở trên ta đã đặt điều kiện là tín hiệu vệ tinh và tín hiệu máy thu có cùng pha và cùng tần số nên k (t)= i (t)

Thay phương trình (1.2) vào (1.1), ta có:

k i

k

i (t) (t) N (1.4) Đại lượng k i i k (t)được gọi là trị đo pha và được tính bằng đơn vị mét Phương trình (1.4) là mô hình toán học của phương pháp đo pha trong trường hợp lý tưởng Trong thực tế các trị đo pha còn chịu ảnh hưởng bởi:

- Độ lệch (độ trễ) thời gian của đồng hồ vệ tinh (dtk) với đồng hồ của máy thu (dti)

- Ảnh hưởng I i k của tầng điện ly làm nhanh pha và T i kcủa tầng đối lưu làm chậm pha của tín hiệu vệ tinh nhận được ở máy thu

- Ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến (multipath) dt iP k

- Các sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo đạc i k

Trang 30

Như vậy, mô hình toán học của phương pháp đo pha trong thực tế được viết như sau:

)()()

()

()()

()

k

Trong đó: i k (t)là khoảng cách thực từ vệ tinh k tới máy thu i

Trong phương trình trên, các đại lượng là thời gian được nhân với vận tốc ánh sáng trong chân không để chuyển về đơn vị chiều dài Cần chú ý là dấu của

k

i

I có dấu âm bởi tầng điện ly làm chậm tốc độ nhưng lại làm nhanh pha của sóng điện từ [1]

1.3.2 Các trị đo pha phân sai

Để giảm hoặc triệt tiêu một số sai số trong phép đo pha, trong thực tế người ta thường không sử dụng trị đo pha như trong phương trình (1.5) mà sử dụng các trị đo pha phân sai, bao gồm phân sai đơn, phân sai đúp, và phân sai ba

* Trị đo phân sai đơn

Giả sử tại thời điểm t nào đó, hai máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ

vệ tinh k (hình 1.9), kết quả là ta sẽ nhận được 2 trị đo pha như phương trình (1.5)

)()()

()()()()

()

(t i k t N i k I i k t T i k t dt i t dt k t cdt iP k t i k t

k

) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( )

(t t N I t T t dt t dt t cdt t k t

j k

jP k

j k

j k j k

j k

Lấy phương trình (1.6) trừ đi phương trình (1.7) ta sẽ được trị đo pha phân sai đơn k ij(t ):

) ( ) ( )

( ) ( ) (

) ( ) ( ) ( )

Trang 31

Hình 1.9 Sơ đồ tính các trị đo pha phân sai

*Trị đo phân sai đúp

Tiếp tục suy luận như trên: nếu tại thời điểm t có 2 máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ vệ tinh k và s thì ta có 2 trị đo phân sai đơn:

) ( ) ( )

( ) ( ) (

) ( ) ( ) ( )

(t i k t k j t ij k t N ij k I ij k t T ij k t dt ij t cdt ijP k t ij k t

k

) ( ) ( )

( ) ( ) (

) ( ) ( ) ( )

( ) (

) ( ) ( ) ( )

phải là tọa độ tuyệt đối của các máy thu i, j mà là vectơ r ij nối chúng với nhau

Vectơ r ij được gọi là cạnh đáy (baseline)

* Trị đo phân sai ba

Nếu tại 2 thời điểm t 1 và t 2 có 2 máy thu i và j cùng đồng thời nhận tín hiệu từ

vệ tinh k và s thì ta sẽ có 2 trị đo phân sai đúp:

Trang 32

) ( ) ( )

( ) (

) ( )

(t1 ij ks t1 N ij ks I ij ks t1 T ij ks t1 cdt ijP ks t1 ij ks t1

ks

) ( ) ( )

( ) (

) ( )

ij ks ij ks ij ks

ij ks

A ks ii ij ks ij ks , A là ký hiệu chung cho các đại lượng , I, dt P, Như ở trên đã nói, số nguyên chu kỳ ks

ij

N không thay đổi theo thời gian nếu trong quá trình đo đạc không bị mất tín hiệu vệ tinh Do đó, trong các trị đo phân sai

ba, một ẩn số là số nguyên chu kỳ sẽ được loại trừ

*Ứng dụng của các loại trị đo phân sai

Từ các phương trình (1.8), (1.11), (1.14) ta thấy: các trị đo phân sai ba có hiệu quả sử dụng cao nhất vì nó có ít tham số chưa biết nhất, đặc biệt là không có số

nguyên chu kỳ N - ẩn số bắt buộc phải giải trong phép đo pha GPS

Tuy nhiên, thực tế cho thấy (và người ta cũng đã chứng minh được) là các trị

đo phân sai ba lại chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố còn lại (ảnh hưởng của tầng điện ly, đối lưu, đa tuyến, nhiễu) Bởi vậy, khi xử lý các trị đo GPS, người ta chỉ sử dụng trị đo phân sai ba để ước tính tọa độ gần đúng của trạm đo, trên cơ sở đó xác

định số nguyên chu kỳ N

Các trị đo phân sai đúp là loại trị đo hay được sử dụng nhất trong phép đo pha GPS có yêu cầu độ chính xác cao Nhược điểm của loại trị đo này là nó yêu cầu phải giải được số nguyên chu kỳ

Các phân sai đơn chủ yếu được sử dụng để phát hiện những thời điểm bị trượt chu kỳ (cycle slip), tức là tín hiệu vệ tinh bị mất trong một thời điểm nào đó dẫn đến

số nguyên chu kỳ N bị mất, cần xác định lại

Từ phương trình (1.11) ta thấy, để định vị được, tức là xác định được khoảng

cách thực , chúng ta cần phải xác định (hoặc triệt tiêu) các đại lượng N, I, T và dt P Hiện nay chưa có thuật toán nào có thể triệt tiêu ảnh hưởng của hiện tượng đa tuyến (multipath), cách phổ biến nhất hiện nay là sử dụng anten thích hợp hoặc sử dụng những máy thu có khả năng phát hiện ra tín hiệu phản xạ bị trễ Trong mọi trường

Trang 33

hợp cần tránh đặt máy thu ở gần các địa vật có mức độ phản xạ sóng điện từ mạnh,

khi đó có thể coi dt P 0 [1]

1.3.3 Độ chính xác của một số máy thu GPS

Ngoài chức năng là máy thu vệ tinh có anten trong, bộ nhớ trong, máy thu loại này còn có các cổng kết nối với thiết bị ngoại vi như thiết bị điều khiển, sổ điện tử PDA, acquy, Radio trạm phát, trạm thu, anten, thanh khởi động, chân máy trạm tĩnh, giá máy trạm động Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều các loại máy thu phù hợp cho phương pháp đo GPS động như trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của một số loại máy thu GPS có khả năng đo động [3] Loại

máy

Hãng, nước chế tạo

2104

Geotronics Thuỵ Điển L1

Trang 34

Trang 35

1.4 Tình hình ứng dụng GPS trong thu thập dữ liệu không gian

- Trong nghiên cứu địa động lực: đo các tham số chuyển dịch có tính toàn cầu

và đo lưới khống chế trắc địa liên lục địa, thiết lập các trạm quan trắc dịch chuyển lục địa, quan trắc trạng thái vận động khối lục địa, thu nhận các thông số thông tin địa chấn

- Trong trắc địa ảnh: ứng dụng công nghệ GPS vào công tác đo nối khống chế ảnh, dẫn đường bay trong công tác bay chụp ảnh, xác định toạ độ tâm ảnh trong quá trình bay chụp đang được áp dụng có hiệu quả trong công tác tăng dày khống chế ảnh

- Trong trắc địa biển: đo các điểm khống chế trắc địa được đặt dưới đáy biển,

đo nối toạ độ tàu thuyền với các cơ sở trắc địa trên đất liền, đo vẽ địa hình đáy biển

- Trong công tác thành lập bản đồ: công nghệ GPS cũng được ứng dụng rộng rãi trong công tác đo vẽ chi tiết như thành lập lưới khống chế cơ sở, lưới khống chế

đo vẽ và đo vẽ chi tiết địa hình

- Trong trắc địa công trình: tiến hành thiết kế, thi công, nghiệm thu và theo dõi các công trình kiến trúc sử dụng công nghệ định vị toàn cầu Các cuộc quan trắc thí nghiệm ở Châu Âu, vùng Viễn Đông, Châu Úc, vùng Nam Mỹ, và toàn bộ khu vực Bắc Mỹ đã chứng tỏ rằng kỹ thuật định vị GPS trong trắc địa công trình có khả năng ứng dụng rất lớn [3]

1.4.2 Tình hình ứng dụng GPS ở Việt Nam

Trang 36

Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90 Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau Những năm sau đó công nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới khống chế các cấp hạng trên lãnh thổ phục vụ ngành Trắc địa bản đồ và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác, cụ thể như sau:

- Lưới cấp “0” 71 điểm phủ trùm lãnh thổ;

- Mạng lưới cạnh dài phủ kín lãnh thổ Việt Nam đã hoàn thành từ đầu những năm 1994 gồm: 23 điểm;

- Lưới Hạng I, II 1665 điểm phủ trùm lãnh thổ;

- Lưới Địa chính cơ sở: Hạng III) phủ trùm lãnh thổ: 12568 điểm;

- Lưới GPS – thuỷ chuẩn lập mô hình Geoid: 1009 điểm

- Hàng chục nghìn điểm toạ độ hạng IV phục vụ cho đo đạc khảo sát công trình giao thông, thuỷ lợi, xây dụng, quy hoạch;

- Kết hợp loại máy GPS 2 tần số và 1 tần số xây dựng lưới khống chế tọa độ trên quần đảo Trường Sa, đo nối mạng lưới này và phần lớn các đảo chính với mạng lưới các điểm khống chế trên đất liền Các điểm GPS này tạo thành mạng lưới tọa

độ biển Việt Nam gồm 36 điểm;

- Việt Nam giúp Lào xây dựng mạng lưới tọa độ cơ sở gồm 25 điểm trên lãnh thổ Lào, mạng lưới tọa độ hạng II khu vực Viên Chăn và nam Lào gồm 66 điểm Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện

về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản, hiệu qủa

Trang 37

Có thể nói công nghệ GPS hiện nay ở Việt Nam phát triển vô cùng mạnh mẽ, từ chỗ chỉ có một vài đơn vị lớn của Nhà nước được trang bị công nghệ GPS ban đầu ở những năm 1990, cho đến nay hầu hết các đơn vị đo đạc khảo sát các ngành, các tỉnh ở Việt Nam đã được trang bị, ứng dụng công nghệ GPS Số lượng máy thu GPS cho mục đích đo đạc độ chính xác cao ở Việt Nam tính đến nay đã đến con số hàng nghìn máy Ngoài ngành đo đạc, khảo sát, công nghệ GPS đã mang lại ứng dụng vô cùng đa dạng cho xã hội như dẫn đường, định vị trên biển, du lịch, giao thông thuỷ bộ, hàng hải, điều đó chứng tỏ công nghệ GPS đã mang lại hiệu quả vô cùng to lớn cho ngành đo đạc địa hình, địa chính nói riêng và cho toàn xã hội nói chung

Việc sử dụng công nghệ GPS được phát triển còn được thể hiện trên lĩnh vực quản lý Đồng thời với việc áp dụng công nghệ trong sản xuất, các văn bản pháp quy về công nghệ GPS đảm bảo cho việc áp dụng công nghệ một cách có sự tổ chức, quản lý chặt của cơ quan quản lý cấp Nhà nước Quy chuẩn QCVN 04: 2008 của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2008, quy phạm của ngành Xây dựng,… ra đời điều chỉnh các hoạt động ứng dụng công nghệ GPS trên toàn quốc đã thể hiện

sự phát triển mức độ cao của công nghệ GPS ở Việt Nam Xét về góc độ độ chính xác đạt được, phạm vi ứng dụng, hiệu quả ứng dụng, đội ngũ cán bộ sử dụng có thể nói công nghệ GPS ở Việt Nam đã ngang tầm với các nước trong khu vực [16]

Trang 38

Chương 2

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng dụng hệ thống GPS đo động thời gian thực vào công tác thành lập lưới đo vẽ và đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính

- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 08/2013 đến tháng 07/2014

- Địa điểm nghiên cứu: huyện Tam Đảo, tỉnh Vĩnh Phúc; Trung tâm Đo đạc và Bản đồ – Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Khái quát địa bàn nghiên cứu

- Điều kiện tự nhiên: vị trí, địa hình, các nguồn tài nguyên…

- Điều kiện kinh tế, xã hội

- Hiện trạng sử dụng đất năm 2013

- Hiện trạng hệ thống hồ sơ địa chính

2.2.2 Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu trong kỹ thuật GPS đo động thời gian thực

- Điều kiện thử nghiệm: Được thử nghiệm tại địa bàn 2 xã Đại Đình và xã Hợp Châu, huyện Tam Đảo

- Thử nghiệm lựa chọn tham số tối ưu trong kỹ thuật GPS đo động thời gian thực

2.2.3 Ứng dụng GPS đo động thời gian thực thành lập lưới khống chế đo vẽ và

đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính

- Thành lập lưới khống chế đo vẽ

- Thành lập bản đồ địa chính

2.2.4 So sánh, đánh giá độ chính xác của các điểm đo chi tiết bằng công nghệ GPS đo động thời gian thực với phương pháp đo vẽ chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử

2.2.5 Ưu điểm, hạn chế của việc Ứng dụng GPS đo động thời gian thực và đề xuất một số giải pháp

Trang 39

Trang 40

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp điều tra thu thập tài liệu

Các tài liệu, số liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, tọa độ các điểm mốc hạng cao…sẽ được thu thập tại UBND cấp xã, các phòng ban cấp huyện và tại Sở

Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc, đo đạc dữ liệu trực tiếp ở thực địa

2.3.2 Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu

Tìm hiểu cơ sở khoa học về công nghệ GPS, ứng dụng chúng trong đo đạc lập bản đồ địa chính

2.3.3 Phương pháp so sánh

Sử dụng số liệu đo đạc bằng GPS động thời gian thực so sánh với số liệu đo bằng máy toàn đạc và số liệu gốc để đánh giá độ chính xác kết quả thử nghiệm dựa trên kết quả đối chiếu với các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy phạm hiện hành, để từ đo đưa ra nhận xét đánh mức độ áp dụng đo vẽ, tỷ lệ đo vẽ

2.3.4 Phương pháp đo GPS đo động thời gian thực

- Sử dụng máy đo GPS 2 tần số CHC X91 GNSS để tiến hành đo Độ chính các của máy sử dụng đo động thời gian thực:

- Sử dụng các máy Rover đặt tại các điểm cần kiểm nghiệm định tâm, cân bằng máy tiến hành đo ở các khoảng thời gian khác nhau

Sử dụng kỹ thuật đo GPS động thời gian thực - RTK (xử lý số liệu ngay ngoài thực địa, trong quá trình đo) Một máy cố định (base receiver) được đặt tại một điểm đã biết toạ độ (phải là một điểm rất thông thoáng), còn một hay nhiều máy

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	2,64 MB