Ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới địa chính huyện vĩnh tường, tỉnh vĩnh phúc

Công nghệ GPS Global Positioning System – Hệ thống ñịnh vị toàn cầu ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong ñó việc ứng dụng công nghệ GPS cho công tác xây dựng lưới khống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

==========o0o==========

LÊ VIỆT HƯNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ðỂ THÀNH LẬP LƯỚI ðỊA CHÍNH HUYỆN VĨNH TƯỜNG - TỈNH VĨNH PHÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

==========o0o==========

LÊ VIỆT HƯNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ðỂ THÀNH LẬP LƯỚI ðỊA CHÍNH HUYỆN VĨNH TƯỜNG - TỈNH VĨNH PHÚC

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ðẤT ðAI

MÃ NGÀNH: 60.85.01.03

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào Nội dung ñề tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học ñược tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện

Tôi xin cam ñoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Lê Việt Hưng

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến: Ban giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, lãnh ñạo Viện Sau ðại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các Thầy Cô giáo ñã giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường

TS Vũ Văn Chất ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện ñề tài

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình, bạn bè ñã giúp

ñỡ, ñộng viên và ñóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ñề tài

Tác giả luận văn

Lê Việt Hưng

MỤC LỤC

1.1.3 Các phương pháp xây dựng lưới trắc ñịa mặt bằng 5

1.3 Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế trắc ñịa mặt

1.4.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới 31

Chương 2 ðỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37

3.2 Lập lưới ñịa chính huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc 40

3.2.7 Sơ ñồ lưới GPS và ñánh giá ñộ chính xác kết quả ño lưới GPS 68

3.3.1 So sánh kết quả ño kiểm tra với kết quả ñã thực hiện 70

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DOP : Dilution of Precision

ðộ mất chính xác GPS : Global Positioning System

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu HDOP : Horizon Dilution of Precision

ðộ mất chính xác theo phương ngang PDOP : Position Dilution of Precision

ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh

Ratio : Tỉ số phương sai

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

DANH MỤC BẢNG

3.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS 64 3.3 So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành 69 3.4 So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra 70

3.4 Cửa sổ Auto View Time Selection (phần mềm GPSurvey 2.35) 50

3.11 Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 57

3.13 Cửa sổ Static Processing (phần mềm GPSurvey 2.35) 59

3.15 Cửa sổ Closure 3 Baselines (phần mềm GPSurvey 2.35) 60 3.16 Cửa sổ Report Selections (phần mềm GPSurvey 2.35) 61

MỞ ðẦU

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử dụng các vệ tinh nhân tạo ñược Bộ Quốc Phòng Mỹ triển khai từ những năm ñầu thập kỷ 70 Ban ñầu hệ thống này ñược dùng cho mục ñích quân sự nhưng sau ñó ñã ñược thương mại hóa, ñược ứng dụng rộng rãi trong các hoạt ñộng kinh tế, xã hội và ñặc biệt ñối với nghành trắc ñịa bản

ñồ thì ñây là cuộc cách mạng thực sự cả về kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả và thuận tiện hơn Với mục tiêu nghiên cứu một nhánh phát triển của công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc ñịa bản ñồ

tôi ñã ñề xuất và ñược phép tiến hành nghiên cứu ñề tài “ Ứng dụng công nghệ GPS ñể thành lập lưới ñịa chính huyện Vĩnh Tường – tỉnh Vĩnh Phúc”

Tính cấp thiết của ñề tài

ðất ñai là tài nguyên quốc gia vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất ñặc biệt, là thành phần quan trọng hàng ñầu của môi trường sống, là ñịa bàn phân

bố các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hóa và an ninh quốc phòng ðất ñai ngày càng có vai trò ñặc biệt quan trọng trong sự phát triển nền kinh tế - xã hội của ñất nước Khi xã hội càng phát triển thì con người càng nhận thức ñược giá trị của ñất ñai và Nhà nước cũng càng cần phải có biện pháp quản lý sử dụng ñầy ñủ, hợp lý có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên ñất ñai

Khảo sát, ño ñạc lập bản ñồ ñịa chính là một trong những nội dung quản lý nhà nước về ñất ñai ñã ñược ghi tại Khoản 2, ðiều 6 của Luật ðất ñai

năm 2003 Nội dung, chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn của các cấp, các ngành trong việc thực hiện khảo sát, ño ñạc, lập và quản lý bản ñồ ñịa chính ñã ñược quy ñịnh tại ðiều 19 của Luật ñất ñai năm 2003

Căn cứ Luật ñất ñai năm 2003, Nghị ñịnh 181/2004/Nð-CP ngày 29 tháng 10 năm 2004 của Chính phủ về thi hành Luật ðất ñai, Bộ Tài nguyên và Môi trường ñã ban hành Quyết ñịnh số 08/2008/Qð-BTNMT ngày 10/11/2008 về ban hành Quy phạm thành lập bản ñồ ñịa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 thay thế Quy phạm thành lập bản

ñồ ñịa chính tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000 và 1:25000 ban hành tại Quyết ñịnh số 720/1999/Qð-ðC ngày 30/12/1999 của Tổng cục trưởng Tổng cục ðịa chính

Công tác ño ñạc bản ñồ ñã ñược chúng ta thực hiện từ rất lâu ñời, ban ñầu chỉ sử dụng các công cụ thô sơ và những phép tính ñơn giản ñể ño vẽ, thành lập bản ñồ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học, ngành trắc ñịa cũng phát triển một cách nhanh chóng với các thiết

bị máy móc hiện ñại nhằm phục vụ cho công tác thành lập bản ñồ ở các loại

tỷ lệ khác nhau và ñã ñạt ñược những thành tựu khoa học ñáng kể, góp phần rất lớn trong việc phát triển kinh tế - xã hội, giữ vững an ninh, quốc phòng

Công nghệ GPS (Global Positioning System – Hệ thống ñịnh vị toàn cầu) ñã ñược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong ñó việc ứng dụng công nghệ GPS cho công tác xây dựng lưới khống chế trắc ñịa phục vụ việc thành lập bản ñồ ñã thể hiện sự vượt trội về mọi mặt: kinh tế, kỹ thuật, khoa học công nghệ so với phương pháp ño ñạc truyền thống bởi các tính năng ưu việt của nó như: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiểm từ ñiểm gốc khác mà không cần thông hướng, tính tự ñộng hóa trong ño ñạc và xử lý kết quả ño, ñộ chính xác cao, ñơn giản tiện lợi, tiết kiệm thời gian, chi phí thấp, có thể thực hiện trong mọi ñiều kiện ñịa hình và ñặc biệt là ở vùng ñồi núi cao mà không cần tầm nhìn thông hướng giữa các ñiểm ño

Huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc là một huyện ựồng bằng, chủ yếu chuyên canh lúa nước, có vị trắ ựịa lý như sau:

- Phắa Bắc giáp huyện Tam Dương, huyện Lập Thạch

- Phắa đông giáp huyện Yên Lạc

- Phắa Nam giáp TX Sơn Tây Ờ TP Hà Nội

- Phắa Tây giáp TP Việt Trì Ờ tỉnh Phú Thọ

Công tác ựo vẽ, thành lập bản ựồ ựịa chắnh là hết sức quan trọng, là nền tảng của công tác quản lý nhà nước về ựất ựai đây là nhiệm vụ quan trọng nhằm giúp các cấp chắnh quyền nắm chắc và quản lý chặt chẽ nguồn tài nguyên ựất ựai, là cơ sở thực hiện các chủ trương chắnh sách của đảng và Nhà nước về phát triển kinh tế xã hội, hiện ựại hoá nông nghiệp nông thôn, gắn với việc bảo vệ môi trường Tạo cơ sở pháp lý, khoa học ựể người sử dụng ựất thực hiện tốt quyền, nghĩa vụ và trách nhiệm của mình theo quy ựịnh của pháp luật Việc xây dựng hệ thống lưới khống chế khu vực phục vụ thành lập bản ựồ ựịa chắnh huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc là một yêu cầu cấp thiết

để mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào thực tế sản xuất trên ựịa bàn huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc, ựược sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Vũ Văn Chất, chúng tôi tiến hành nghiên cứu, thực hiện ựề tài: ỘỨng dụng công nghệ GPS ựể thành lập lưới ựịa chắnh huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh PhúcỢ

Mục ựắch của ựề tài

Ứng dụng công nghệ GPS ựể xây dựng lưới ựịa chắnh phục vụ công tác thành lập bản ựồ ựịa chắnh huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc

Yêu cầu của ựề tài

Xây dựng lưới khống chế ựịa chắnh trên ựịa bàn huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc Phân tắch, ựánh giá ựộ chắnh xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới ựịa chắnh ở khu vực huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc

Lưới thiết kế phải ñảm bảo yêu cầu quy phạm, phù hợp thuận lợi với yêu cầu của khu vực ño vẽ, có tính khả thi và hiệu quả kinh tế

Các số liệu ño ñạc phải chính xác, trung thực, khách quan

Các kết quả tính toán bình sai phải ñạt yêu cầu theo quy phạm hiện hành

Các kết quả kiểm tra phải ñúng theo quy ñịnh của Bộ Tài nguyên và Môi trường

Tính khoa học và thực tiễn của ñề tài

Dựa trên công nghệ GPS ñể xây dựng hệ thống lưới ñịa chính thay thế cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần ñưa công nghệ mới vào sản xuất nhằm nâng cao ñộ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất khi xây dựng lưới khống chế trắc ñịa nói chung và lưới khống chế ñịa chính huyện Vĩnh Tường, tỉnh Vĩnh Phúc nói riêng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát chung về lưới khống chế trắc ñịa

1.1.1 Khái niệm về lưới khống chế trắc ñịa

Lưới khống chế trắc ñịa là hệ thống các ñiểm ñược ñánh dấu bằng các mốc bê tông, liên kết với nhau theo một quy luật toán học nhất ñịnh, thông qua các trị ño góc, chiều dài, góc phương vị, từ các ñiểm gốc có tọa ñộ có thể tính ra tọa ñộ các ñiểm khác trong lưới

Trong quá trình xây dựng, người ta chia lưới trắc ñịa thành 3 loại: Lưới trắc ñịa Nhà nước, lưới trắc ñịa khu vực (lưới ñịa chính) và lưới ño vẽ

Theo chức năng nhiệm vụ lưới trắc ñịa ñược chia ra các loại: Lưới toàn cầu, lưới quốc gia, lưới ñịa phương và lưới chuyên dùng [7]

1.1.2 Vai trò của lưới trắc ñịa mặt bằng Nhà nước

Lưới trắc ñịa mặt bằng hạng cao Nhà nước có vai trò và nhiệm vụ sau: Nghiên cứu chi tiết hình dáng kích thước, thế trọng trường của trái ñất

và những thay ñổi của chúng theo thời gian

Thiết lập hệ tọa ñộ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thỏa mãn các yêu cầu xây dựng kinh tế và quốc phòng

Lưới trắc ñịa các cấp làm cơ sở ñể xây dựng lưới khống chế ño vẽ các loại bản ñồ ñịa hình, ñịa chính các loại tỷ lệ trên phạm vi toàn quốc, ñịnh hướng cho các công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật về trái ñất như ñịa chất, ñịa ñộng học, bảo vệ tài nguyên và môi trường [7]

1.1.3 Các phương pháp xây dựng lưới trắc ñịa mặt bằng

1.1.3.1 Lưới tam giác ño góc

Lưới tam giác ño góc ñược xây dựng ñầu tiên trên thế giới ở Hà Lan năm 1916 nửa ñầu thế kỷ XX, hầu hết các nước ñều xây dựng lưới tọa ñộ nhà nước theo phương pháp này ðồ hình cơ bản của lưới là hình tam giác, tứ giác

trắc ñịa và ña giác trung tâm

Trong lưới tam giác ño góc, người ta ño tất cả các góc do ñó có nhiều trị ño thừa kiểm tra ðộ chính xác của lưới khá cao và ñồng ñều, hạn chế của lưới ño góc là ñộ chính xác các yếu tố trong lưới phụ thuộc nhiều vào ñồ hình lưới, ñồng thời ñòi hỏi phải thông hướng ñến nhiều ñiểm khác, do ñó công việc chọn ñiểm rất khó khăn và phải xây dựng cột tiêu với chi phí lớn (chiếm 70% kinh phí xây dựng lưới) [7]

1.1.3.2 Lưới tam giác ño cạnh

Do sự phát triển của các máy ño khoảng cách ñiện tử người ta xây dựng lưới tam giác ño cạnh Trong lưới ño cạnh người ta ño tất cả các cạnh, chỉ ño nối phương vị ñủ ñể bình sai lưới Lưới ño cạnh có các ưu ñiểm là ñộ chính xác ít phụ thuộc vào ñồ hình lưới, công tác ngoại nghiệp nhanh và ít chịu ảnh hưởng của ñiều kiện ngoại cảnh hơn lưới ño góc Hạn chế của lưới ño cạnh là

ít trị ño thừa, không có ñiều kiện kiểm tra trị ño ở thực ñịa trong một tam giác

ño 3 cạnh chỉ là trị ño vừa ñủ, do ñó khi xấy dựng lưới ño cạnh ñồ hình cơ bản là tứ giác trắc ñịa và ña giác trung tâm [7]

1.1.3.3 Lưới ñường chuyền

Lưới ñường chuyền gồm các ñiểm nối với nhau tạo thành các ñường gấp khúc ðo tất cả các góc ngoặt và các cạnh trong lưới từ ñó tính tọa ñộ cho tất cả các ñiểm

Lưới ñường chuyền bao gồm nhiều ñường chuyền liên kết với nhau tạo thành các ñiểm nút Lưới ñường chuyền có ưu ñiểm là dễ chọn ñiểm, ñộ lớn của góc ngoặt có thể thay ñổi không hạn chế cho nên ñồ hình lưới bố trí rất linh hoạt Hạn chế của lưới ñường chuyền là có ít trị ño thừa, kết cấu hình học không chặt chẽ bằng lưới ño góc

1.1.3.4 Lưới trắc ñịa vệ tinh

Các phương pháp xây dựng lưới nêu trên có nhược ñiểm là các cặp

cạnh phải thông hướng với nhau Do ảnh hưởng của chiết quang và ñộ cong trái ñất nên không xây dựng lưới cạnh dài

ðể xây dựng lưới cạnh dài và liên kết các lưới ở xa nhau có ñộ chính xác cao, từ những năm 60 của thế kỷ XX ñã ra ñời phương pháp ño mới gọi là trắc ñịa vệ tinh

ðầu tiên người ta chụp ảnh vệ tinh nhân tạo trên nền sao, xác ñịnh hướng ñiểm ngắm ñến vệ tinh, khoảng cách từ ñiểm ngắm ñến vệ tinh ñược

ño bằng máy ño khoảng cách lazer ñến vệ tinh

Sai số vị trí ñiểm mặt ñất cần ñịnh vị từ chỗ 100m sau ñó chỉ còn 10m Thập kỷ 70 với kỹ thuật Doppler vệ tinh ñộ chính xác ñịnh vị ñạt cỡ vài dm thậm chí vài mm

Các ñiểm vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các ñiểm

từ vài km ñến hàng nghìn km Bất cứ lúc nào, bất cứ ở ñâu nếu thu tín hiệu tốt ñều có thể ñịnh vị ñiểm mặt ñất

Năm 1973 hệ thống GPS ñược thiết kế và nhanh chóng ñạt ñược những hiệu quả ñáng kể

Ở Việt Nam, các ứng dụng của công nghệ GPS mới chỉ bắt ñầu từ những năm 1990, song chúng ta ñã khai thác có hiệu quả trong công tác xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn quốc gia Xây dựng mạng lưới trắc ñịa biển, liên kết ñất liền với các hải ñảo, góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu hình thành hệ quy chiếu VN2000 Công nghệ GPS còn ñược áp dụng ñể thành lập lưới ñịa chính cơ sở phục vụ công tác ño vẽ bản ñồ ñịa chính trong cả nước [7]

1.1.4 ðặc ñiểm lưới trắc ñịa cơ sở của Việt Nam

Lưới tọa ñộ nhà nước của ta ñã xây dựng và hoàn thiện qua nhiều giai ñoạn với kết cấu lưới thành phần nhiều loại bằng các phương pháp ño khác nhau

1.1.4.1 Lưới tam giác ño góc hạng I, II miền Bắc

Sau hòa bình lập lại ở miền Bắc, ngày 14 tháng 12 năm 1959 Thủ tướng Phạm Văn ðồng ñã ký Nghị ñịnh thành lập Cục ño ñạc và bản ñồ nhà nước Từ năm 1959, Cục ño ñạc và bản ñồ nhà nước ñã xây dựng lưới Thiên văn trắc ñịa miền Bắc và lưới tam giác ño góc hạng I, II dày ñặc

Lưới tam giác hạng I có 339 ñiểm, chiều dài cạnh trung bình 25km, ngắn nhất 9km, dài nhất 42km, có 13 cạnh gốc bố trí cách nhau khoảng 130km Trong 13 cạnh gốc có 6 cạnh ño theo lưới ñường ñáy bằng thước dây invar, 7 cạnh ño trực tiếp bằng máy ño khoảng cách ñiện quang NASM-2A

Có 28 ñiểm thiên văn và 13 phương vị Laplas bố trí ở ñầu cạnh gốc (cạnh mở ñầu)

Lưới tam giác ño góc hạng II có 1696 ñiểm Các ñiểm hạng II bố trí theo hình thức chêm lưới vào lưới hạng I Lưới hạng II có chiều dài cạnh trung bình 14km, ngắn nhất 5km, dài nhất 27km

Dựa vào các ñiểm tam giác hạng I, II ñã xây dựng lưới tam giác ño góc hạng III, IV bằng phương pháp chêm dày ñiểm

Như vậy lưới hạng I miền Bắc là lưới dày ñặc có ñộ chính xác cao và ñồng ñều Các lưới cấp thấp hơn do chêm lưới hạ cấp nên có ñộ chính xác không ñồng ñều

Mạng lưới tọa ñộ hạng I, II miền Bắc ñược ño từ năm 1959 ñến 1963, bình sai xong năm 1966 Trên cơ sở của lưới này , nước ta công bố hệ tọa ñộ nhà nước Hà Nội – 72 [7]

1.1.4.2 Xây dựng lưới tọa ñộ ở miền Trung và miền Nam

Sau ngày ñất nước thống nhất Cục ño ñạc và bản ñồ nhà nước phát triển tiếp lưới tọa ñộ nhà nước xuống phía Nam

Lưới ñầu tiên xây dựng là lưới tam giác ño góc hạng I khu vực Bình Tri Thiên từ năm 1977 ñến 1983 Lưới có 25 ñiểm ñược bố trí thành khóa tam

giác kẹp giữa 2 cạnh gốc, chiều dài cạnh tam giác từ 20 ựến 25km, có ựo tọa

ựộ thiên văn và phương vị thiên văn ở cạnh gốc

Từ năm 1983 ựến 1992 Cục ựo ựạc bản ựồ nhà nước xây dựng lưới tam giác ựo góc hạng II tiếp vào lưới hạng I Bình Trị Thiên kéo vào ựến đồng Nai Ờ Vũng Tàu Lưới này có 351 ựiểm, chiều dài cạnh từ 10 ựến 15km, có 16 cạnh gốc ựo bằng máy AGA-600, 26 ựiểm thiên văn và 13 phương vị Laplas

Ở khu vực Nam bộ thay cho lưới ựo góc hạng II, Cục ựo ựạc và bản ựồ nhà nước xây dựng lưới ựường chuyền hạng II, góc trong lưới ựo bằng máy kinh vĩ quang học, cạnh ựo bằng máy AGA-600 và DI 20 Lưới này lại có lưới Tây Nam bộ gồm 124 ựiểm và đông Nam bộ gồm 50 ựiểm Toàn bộ lưới

có 8 phương vị thiên văn bố trắ cách nhau khoảng 10 ựến 15 cạnh

để có lưới phủ trùm trên toàn lãnh thổ cần xây dựng tiếp lưới ở Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, ở các khu vực này lưới tọa ựộ xây dựng bằng công nghệ truyền thống không có hiệu quả Từ năm 1991 ựến 1993 Cục ựo ựạc và bản ựồ nhà nước ựã dùng công nghệ tiên tiến là công nghệ GPS cạnh ngắn ựể xây dựng lưới tọa ựộ tương ựương với hạng II ở ựây

Lưới Minh Hải có 15 ựiểm, chiều dài cạnh trung bình 25km, ngắn nhất 10km, dài nhất 40km

Lưới Sông Bé có 34 ựiểm, chiều dài cạnh trung bình 27km, ngắn nhất 13km, dài nhất 42km

Lưới Tây Nguyên có 65 ựiểm, chiều dài cạnh trung bình 30km, ngắn nhất 10km, dài nhất 45km [7]

1.1.4.3 Lưới Dopler vệ tinh

Khi trên thế giới quan sát vệ tinh của hệ thống TRANSIT với kỹ thuật Dopler vệ tinh ựể xây dựng lưới tọa ựộ thì ở nước ta từ năm 1987 ựến 1988 cũng áp dụng kỹ thuật này ựể ựo nối các mạng lưới tọa ựộ trên ựất liền với nhau và nối ựất liền với hải ựảo

Lưới Dopler vệ tinh của nước ta có 14 ñiểm trên ñất liền và 4 ñiểm ngoài ñảo lớn

Dựa vào lưới Dopler vệ tinh Cục ño ñạc và bản ñồ nhà nước ñã tiến hành ñịnh vị lại Ellipsoid Kvasovski, bình sai lại lưới tọa ñộ hạng I, II nhà nước, tiến tới xây dựng hệ tọa ñộ quốc gia mới thay cho hệ tọa ñộ HN-72 [7]

1.1.4.4 Hoàn thiện lưới tọa ñộ nhà nước cấp “ 0 ”, hạng I, II, III và xây dựng

hệ tọa ñộ VN-2000

Mục tiêu xây dựng hệ tọa ñộ quốc gia mới mà giai ñoạn trước chưa hoàn thành, nay càng trở nên cấp thiết khi bước sang thế kỷ XXI và khi nước ta ñẩy mạnh hòa nhập với thế giới Mục tiêu giải quyết lúc này là phải ngang tầm trình ñộ khoa học trắc ñịa bản ñồ của thế giới, ñặc biệt khi mà công nghệ GPS với ñộ chính xác vị trí ñiểm rất cao ñã ñược thay cho kỹ thuật Dopler vệ tinh

ðể tiến tới hoàn thiện lưới tọa ñộ nhà nước và xây dựng hệ tọa ñộ quốc gia mới Tổng cục ñịa chính ñã tiến hành các công việc sau:

- Năm 1995, xây dựng lưới tọa ñộ cấp “ 0 ” bằng công nghệ GPS Lưới này có 69 ñiểm, phân bố ñều và phủ trùm lãnh thổ nước ta, trong ñó có 56 ñiểm trùng với các ñiểm tọa ñộ hạng I, II cũ và 13 ñiểm mới tạo tiền ñề cho việc giải quyết các nhiệm vụ khoa học tiếp theo

- Năm 1997, tiến hành ño GPS tuyệt ñối ở 8 ñiểm cấp “ 0 ” phân bố trên toàn lãnh thổ ñể kiểm tra chất lượng lưới cấp “ 0 ” và có cơ sở tạo lập mối liên hệ giữa hệ tọa ñộ của nhà nước và quốc tế

- Năm 1998, ño bổ sung vào lưới cấp “ 0 ” 40 ñiểm ño nối ñộ cao thủy chuản hạng I, II phân bố trên toàn lãnh thổ nhằm phục vụ cho việc ñịnh vị Ellipsoid thực dụng và xây dựng mô hình Geoid của Việt Nam

- Xây dựng ñiểm gốc tọa ñộ quốc gia mới là ñiểm N00 (trong hệ tọa ñộ

VN – 2000) ðiểm gốc tọa ñộ N00 ñược ñặt tại khuôn viên Viện nghiên cứu ñịa chính (nay là Viện khoa học ño ñạc và bản ñồ thuộc Bộ Tài nguyên và

Môi trường) Trước khi xây dựng lưới GPS cấp “ 0 ”, năm 1992 ñã có lưới GPS nối 9 ñiểm của lưới tam giác và lưới ñường chuyền dọc bờ biển với 27 ñiểm trên các ñảo lớn và các ñảo trên quần ñảo Trường Sa Loại lưới này gọi

là lưới trắc ñịa biển

- Năm 1993, lại có lưới GPS cạnh dài trong ñất liền gồm 10 ñiểm Lưới này hòa nhập với lưới trên tạo thành lưới GPS cạnh dài từ 160km ñến 1200km phủ trùm cả trên ñất liền và biển ñảo

- Cuối năm 1998, Tổng cục ñịa chính tiến hành hội thảo khoa học xây dựng hệ quy chiếu và hệ thống ñiểm tọa ñộ quốc gia Sau hội thảo ban ñiều hành và nhóm kỹ thuật trực tiếp làm việc ñã ñược thành lập Hai bên ñã làm việc khẩn trương và hoàn thành báo cáo khoa học vào cuối năm 1999 Báo cáo ñã quyết ñịnh lấy Ellipsoid WGS-84 làm Ellipsoid thực dụng của Việt Nam, ñịnh vị nó cho phù hợp với nước ta theo ñiểm gốc mới và 25 ñiểm cơ sở ñịnh vị, quyết ñịnh dùng tọa ñộ vuông góc phẳng UTM thay cho tọa ñộ Gauss-Kruger ðây là những ñiểm chủ yếu trong hệ tọa ñộ VN-2000 Vì vậy, lưới tọa ñộ nhà nước ta cũng gọi là lưới thiên văn - trắc ñịa - Dopler - GPS

- Ngày 12/7/2000 Thủ tướng Chính phủ ñã ban hành quyết ñịnh về áp dụng hệ tọa ñộ quốc gia VN – 2000 và công bố sử dụng thống nhất trên phạm

ñể cùng với mô hình Geoid EGM-96 xác ñịnh ñộ cao thủy chuẩn của tất cả các ñiểm GPS khi bình sai lưới ñịa chính cơ sở của một số tỉnh gần nhau [7]

1.2 Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS và lưới GPS

1.2.1 Khái niệm về GPS

Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System ðây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh ñể cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt ñộng trong mọi ñiều kiện thời tiết

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS

(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

1.2.2 Các thành phần của GPS

GPS gồm 3 ñoạn: ñoạn không gian, ñoạn ñiều khiển và ñoạn người sử dụng

1.2.2.1 ðoạn không gian (Space Segment)

Hệ thống ban ñầu có 24 vệ tinh, trong ñó có 3 vệ tinh dự trữ Hiện nay ñã

có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái ñất trên 6 quỹ ñạo gần tròn cách ñều nhau, với ñộ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích ñạo của trái ñất Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút

Chức năng chính của các vệ tinh là:

+ Nhận và lưu trữ dữ liệu ñược gửi lên từ các trạm ñiều khiển

+ Duy trì thời gian chính xác bởi ñồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh

+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1

và L2

Mỗi vệ tinh ñược trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ ñây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz ðể giảm ảnh hưởng của tầng ñiện ly người ta sử dụng hai tần số

ðể phục vụ cho các mục ñích và ñối tượng khác nhau, các tín hiệu phát

ñi ñược ñiều biến mang theo các code riêng biệt ñó là: C/A- Code, P-Code và Y- Code

+ C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thô ñược sử dụng rộng rãi C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1.023 MHz) C/A Code chỉ ñiều biến sóng tải L1

+ P-Code (Precision Code) là code chính xác ñược sử dụng cho các mục ñích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục ñích khác khi ñược phía Mỹ cho phép P-Code ñiều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên

+ Y-Code là Code bí mật ñược phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm

1989 mới có khả năng này

Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS

(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

1.2.2.2 ðoạn ñiều khiển (Control Segment)

Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii (Thái Bình Dương), Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương)

Nhiệm vụ của ñoạn ñiều khiển là ñiều khiển toàn bộ hoạt ñộng và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển ñộng quỹ ñạo của các vệ tinh và hoạt ñộng của ñồng hồ trên ñó Tất cả các số liệu ño khoảng cách, sự thay ñổi khoảng cách, các số liệu ño khí tượng ở mỗi trạm ñều ñược truyền về trạm trung tâm Trạm trung tâm xử lý các số liệu ñược truyền từ các trạm theo dõi và số liệu

ño của chính nó ñể cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các ñồng hồ vệ tinh Các số liệu này ñược truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ ñó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh ñiều khiển khác

Hình 1.3: Các trạm ñiều khiển GPS

(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

1.2.2.3 ðoạn sử dụng (User Segment)

Gồm các máy thu ñặt trên mặt ñất, bao gồm phần cứng và phần mềm

- Phần cứng là các máy ño có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh ñể khai thác,

sử dụng cho các mục ñích, yêu cầu khác nhau của khách hàng

- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin ñể cung cấp tọa ñộ của máy thu

Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS

(Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS)

1.2.3 Nguyên lý ñịnh vị GPS

1.2.3.1 Các ñại lượng ño

Việc ñịnh vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng ñại lượng

ño cơ bản, ñó là ño khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code

và P-code) và ño pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2

• ðo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Code tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ñúng như vậy Bằng cách so sánh code thu

từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác ñịnh ñược khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ ñó dễ dàng xác ñịnh ñược khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu (ñến tâm anten của máy thu) Do có sự không ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian ño ñược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, ñó là khoảng cách giả

Hình 1.5: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm

(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là x s , y s , z s; tọa ñộ của ñiểm xét (máy

thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh ñến ñiểm xét là t, sai số

không ñồng bộ giữa ñồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách

giả ño ñược là R, ta có phương trình:

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

∆t

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu ñược

Trong ñó, c là tốc ñộ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật ño khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách tương ứng khoảng 30m Nếu tính ñến ảnh hưởng của ñiều kiện lan truyền tín hiệu, sai số ño khoảng cách theo C/A code

sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự ñược khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến mức có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng ñại trà Chính vì lý do này mà trước ñây Chính phủ Mỹ ñã ñưa ra giải pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật ño GPS có thể khắc phục ñược nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000

• ðo pha sóng tải

Các sóng tải L1, L2 ñược sử dụng cho việc ñịnh vị với ñộ chính xác cao Với mục ñích này người ta tiến hành ño hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận ñược từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy thu ño ñược ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π)

Khi ñó ta có thể viết:

Trong ñó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

λ là bước sóng của sóng tải;

N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R, N còn ñược gọi là số

nguyên ña trị, thường không biết trước mà cần phải xác ñịnh trong thời gian ño;

∆t là sai số ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu;

t c z z y

y x

x t

t

c

R= ( +∆ ) = ( s − )2 +( s − )2 +( s − )2 + ∆ (1.1)

)(

2

t c N

R− + ∆

=

λπ

(1.2)

Trong trường hợp ựo pha theo sóng tải L1 có thể xác ựịnh khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ựộ chắnh xác cỡ cm, thậm chắ nhỏ hơn Sóng tải L2 cho ựộ chắnh xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ựáng kể tầng ựiện ly và việc xác ựịnh số nguyên ựa trị ựược ựơn giản hơn

Hình 1.6: Kỹ thuật giải ựa trị tại các máy thu (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

1.2.3.2 định vị tuyệt ựối (point positioning)

đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS ựể xác ựịnh ngay tọa ựộ của ựiểm quan sát trong hệ tọa ựộ WGS-84 đó có thể là các thành phần tọa ựộ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa ựộ trắc ựịa mặt cầu (B,L,H) Hệ thống tọa ựộ WGS-84 là hệ thống tọa ựộ cơ sở của GPS, tọa ựộ của vệ tinh và ựiểm quan sát ựều lấy theo hệ thống tọa ựộ này

Việc ựo GPS tuyệt ựối ựược thực hiện trên cơ sở sử dụng ựại lượng ựo

là khoảng cách giả từ vệ tinh ñến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các ñiểm ñã biết tọa ñộ là các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ñến máy thu, ta sẽ tính ñược khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi ñó 3 khoảng cách ñược xác ñịnh ñồng thời từ 3 vệ tinh ñến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian ñơn trị của máy thu Song trên thực tế

cả ñồng hồ trên vệ tinh và ñồng hồ trong máy thu ñều có sai số, nên khoảng cách ño ñược không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ñiểm, nghĩa là không thể xác ñịnh ñược vị trí của máy thu ðể khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ñại lượng ño nữa, ñó

là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:

(XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-c∆t)2

(XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-c∆t)2

(XS3- X)2 +(YS3- Y)2 +(ZS3- Z)2= (R3-c∆t)2

(XS4- X)2 +(YS4- Y)2 +(ZS4- Z)2 = (R4-c∆t)2

Với khoảng cách giả ño ñồng thời từ 4 vệ tinh ñến máy thu chúng ta sẽ

lập ñược hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t) Giải hệ phương trình trên chúng ta tìm ñược tọa ñộ tuyệt ñối của máy thu và số hiệu chỉnh ñồng hồ của máy thu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ñộng ñầy ñủ như hiện nay, số lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát ñược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ñó số lượng phương trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên

lý số bình phương nhỏ nhất

(1.3)

Hình 1.7: Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối

(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

1.2.3.3 ðịnh vị tương ñối (Relative Positioning)

ðo GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai ñiểm quan sát khác nhau ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong

hệ tọa ñộ WGS-84

Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng ño là pha của sóng tải ðể ñạt ñược ñộ chính xác cao và cho kết quả xác ñịnh hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm xét, người ta ñã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ñến các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của ñồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa

ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,

Ta ký hiệu Φrj(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j ño ñược tại trạm r

vào thời ñiểm ti, khi ñó nếu hai trạm ño 1 và 2 ta quan sát ñồng thời vệ tinh j

vào thời ñiểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ñược biểu diễn như sau:

∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.4)

Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh

Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k vào

thời ñiểm ti, ta có phân sai bậc hai:

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.5)

Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số ñồng hồ vệ tinh và máy thu

Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k

vào thời ñiểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:

∆3Φj,k = ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.6)

Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên ña trị

Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt ñộng Do vậy, tại mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược nhiều vệ tinh Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ño, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong ño tương ñối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm là rất lớn, khi ñó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Hình 1.8: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối

(Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying)

- Phương pháp ño tĩnh: Phương pháp ño tĩnh ñược sử dụng ñể xác ñịnh

hiệu tọa ñộ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai ñiểm xét với ñộ chính xác cao, nhằm ñáp ứng yêu cầu của công tác Trắc ñịa ñịa hình Trong trường hợp này cần có tối thiểu hai máy thu, một máy ñặt ở ñiểm ñã biết tọa ñộ còn máy kia ñặt tại ñiểm cần xác ñịnh Cả hai máy thu ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ một ñến hai ba giờ ñồng hồ tuỳ vào từng cấp ñộ lưới Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quan sát là

4 Khoảng thời gian quan sát kéo dài là ñể cho ñồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi từ ñó ta có thể xác ñịnh ñược số nguyên ña trị của sóng tải và ñồng thời là

ñể có nhiều trị ño nhằm ñạt ñộ chính xác cao và ổn ñịnh kết quả quan sát.ðây

là phương pháp ñạt ñược ñộ chính xác cao nhất trong việc ñịnh vị tương ñối bằng GPS

- Phương pháp ño ñộng: Phương pháp ño ñộng cho phép xác ñịnh vị trí tương ñối của hàng loạt ñiểm so với ñiểm ñã biết Phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu ñể xác ñịnh số nguyên ña trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh ñáy ñã biết ñược gối lên ñiểm ñã có tọa ñộ Sau khi ñã xác ñịnh số nguyên ña trị ñược giữ nguyên ñể tính khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu cho các ñiểm ñi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ ño Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại ñiểm ño không phải là một giờ ñồng hồ như trong phương pháp ño tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này

1.2.3.4 ðịnh vị vi phân (Differential GPS)

Phương pháp này dùng một máy thu ñặt cố ñịnh tại ñiểm ñã biết tọa ñộ

và máy thu này có khả năng phát ra tín hiệu vô tuyến, ñồng thời có máy di ñộng khác ñặt ở vị trí cần xác ñịnh tọa ñộ Cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cần ñồng thời tiến hành thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ

vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác ñịnh tọa ñộ của cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cũng ñều bị sai lệch, ñộ sai lệch này ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh tọa ñộ tính ra theo tín hiệu thu ñược từ vệ tinh và tọa ñộ ñã biết trước của máy

cố ñịnh và có thể xem là như nhau cho cả máy cố ñịnh và máy di ñộng Nó

ñược máy cố ñịnh phát ñi qua sóng vô tuyến ñể máy di ñộng thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác ñịnh tọa ñộ của mình

1.2.4 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS

1.2.4.1 Sai số của ñồng hồ

Sai số ñồng hồ gồm ñồng hồ trên vệ tinh, ñồng hồ trong máy thu và sự không ñồng bộ giữa chúng gây ra sai số của ñồng hồ trong kết quả ño GPS ðặc biệt là trong ñịnh vị tuyệt ñối sai số này có giá trị tương ñối lớn

Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có ñộ chính xác cao, tính ñồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano giây Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao (1 phần 104) ñặt bên trong

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.108m/s, nếu sai số ñồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu ñồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m

Với ảnh hưởng như trên, người ta ñã sử dụng nguyên tắc ñịnh vị tương ñối ñể loại trừ ảnh hưởng của sai số ñồng hồ

1.2.4.2 Sai số quỹ ñạo vệ tinh

Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất, ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng tới quỹ ñạo của vệ tinh, khi ñó vệ tinh sẽ không chuyển ñộng hoàn toàn tuân theo ñúng 3 ñịnh luật Kepler Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong ñịnh

vị tương ñối hoặc vi phân

ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể căn cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:

- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác ñịnh quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời ñiểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai

số khoảng vài km

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên

5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trong mạng lưới giám sát và ñược tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m

1.2.4.3 Ảnh hưởng ñiều kiện khí tượng

Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn 20.000km, trong ñó có tầng ñiện ly từ ñộ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị thay ñổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt ñộ và các bụi khí quyển trong tầng ñối lưu

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng ñiện ly, khi ñịnh vị tuyệt ñối có thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng ñối lưu có thể gây sai số khoảng 3m

Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do ñó ảnh hưởng của tầng ñiện ly ñã ñược giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới ñặc tính của sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn

Ảnh hưởng của tầng ñiện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử dụng máy thu 2 tần sẽ khắc phục ñược ảnh hưởng này

Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như ñi trong cùng môi trường, sai số sẽ ñược loại trừ trong các công thức tính hiệu tọa ñộ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi ñó nếu sử dụng máy hai tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác

ðể khắc phục ảnh hưởng của tầng ñối lưu, người ta quy ñịnh chỉ sử dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15o (hoặc trên 10o)

Hiện nay người ta ñang sử dụng một số mô hình khí quyển, trong ñó có

mô hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi

1.2.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu ñi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt ñất và môi trường xung quanh Sai số này gọi là sai số do nhiễu tín hiệu Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu

do một số nguyên nhân sau:

- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tông) gần máy thu

- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng ñiện từ khác

- Máy thu GPS ñặt gần các ñường dây tải ñiện cao áp

- Tín hiệu bị gián ñoạn do các vật che chắn tín hiệu

ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế ñiểm ño cần bố trí xa các trạm phát sóng, các ñường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các rặng cây

1.2.4.5 Sai số do người ño

Người ño có thể phạm các sai lầm như: trong ño chiều cao anten, dọi ñiểm ñịnh tâm không tốt, ñôi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten ðể tránh các sai

số này thì người ño GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao anten

Cần chú ý là sai số do ño chiều cao anten không những ảnh hưởng tới

ñộ cao của ñiểm ño mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

Trong khi thu tín hiệu không nên ñứng vây quanh máy thu, không che ô cho máy

1.2.5 Ưu ñiểm của phương pháp ñịnh vị GPS

- Các vệ tinh có thể ñược quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp ñịnh vị truyền thống

chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp

- Không ñòi hỏi thông hướng ở các trạm ño

- Có thể ñịnh vị ở thời gian thực và ở thời ñiểm bất kỳ: trên mặt ñất, trên biển và trong không gian cho ñối tượng ñứng yên hay di ñộng

- Có thể ño 24h/ngày trong mọi ñiều kiện thời tiết

- ðộ chính xác ngày càng cao và càng ñược cải thiện

1.2.6 Tọa ñộ và hệ qui chiếu

Hình dạng trái ñất theo quan niệm của thuyết ñẳng tĩnh thì trái ñất là một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái ñất quay sẽ có dạng Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái ñất sẽ bằng nhau ðiều này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái ñất và lực ly tâm do chuyển ñộng quay của nó

Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái ñất phải là Ellipsoid phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu Ellipsoid ñược chọn làm hệ tọa ñộ ñịnh vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này ñược hệ ñịnh vị GPS sử dụng gọi là Hệ trắc ñịa thế giới 1984 (WGS-84)

Hệ tọa ñộ này dùng Ellipsoid ñịa tâm xác ñịnh bởi bán trục lớn a=6378137.0m và nghịch ñảo ñộ dẹt 1/f =298.257223563

Ellipsoid trái ñất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên của trái ñất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái ñất Mỗi hệ tọa ñộ ñịa phương ñều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản ñồ, tức

là xác ñịnh một phương thức biểu thị một ñiểm trên mặt ñất tự nhiên so với mặt quy chiếu ñó

Hệ ñịnh vị GPS cho tọa ñộ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc các thành phần tọa ñộ trắc ñịa mặt cầu B, L, H hoặc các gia số tọa ñộ trên trong hệ tọa ñộ toàn cầu WGS-84 Do ñó cần phải áp dụng phép tính chuyển tọa ñộ ñể chuyển tọa ñộ từ hệ tọa ñộ GPS (WGS-84) về hệ tọa ñộ qui chiếu

Việc biến ñổi tọa ñộ WGS-84 về tọa ñộ ñịa phương thực hiện qua 3 giai ñoạn:

1 Tọa ñộ vuông góc không gian X, Y, Z hoặc (∆X, ∆Y, ∆Z) thuộc hệ WGS-84 ñổi thành tọa ñộ B, L, H hoặc (∆B, ∆L, ∆H) thuộc hệ WGS-84, sau

ñó áp dụng 7 tham số tính chuyển về tọa ñộ không gian ñịa phương

2 Tọa ñộ không gian ñịa phương tính ñổi thành tọa ñộ trắc ñịa

3 Tọa ñộ trắc ñịa sau ñó tính chuyển ñổi thành tọa ñộ phẳng qua phép chiếu bản ñồ

Phép tính chuyển ñộ cao có sự khác biệt do ñộ cao xác ñịnh trên Ellipsoid WGS-84 là bề mặt có phương trình toán học, còn ñộ cao sử dụng thực tế lại là ñộ cao thủy chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước biển trung bình - một bề mặt không mô tả ñược bằng phương trình toán học

ðẳng thức sau là biểu thức biến ñổi ñơn giản ñộ cao Ellipsoid WGS-84

về ñộ cao ñịa phương bằng cộng thêm ñộ chênh Geoid-Ellipsoid tại ñiểm ñó:

H = h +N

Trong công thức trên, H là ñộ cao tính ñến mặt Ellipsoid - là ñộ cao có thể ño ñược chính xác bằng công nghệ GPS; h là ñộ cao thủy chuẩn, ñược sử dụng thực tế; N là ñộ chênh lệch giữa hai bề mặt Geoid và Ellipsoid tại ñiểm

ñó gọi là ñộ cao Geoid (hay dị thường ñộ cao) Dựa vào số liệu ño trọng lực toàn thế giới người ta ñã lập ra mô hình Geoid toàn cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Ellipsoid phục vụ cho việc tính ñộ cao bằng công nghệ

GPS Song do bề mặt Geoid biến ñổi phức tạp, số liệu ño trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác ñịnh ñộ cao trong ño GPS còn ñang ñược hoàn thiện thêm ñể kết quả ñạt yêu cầu sử dụng

Nếu có các ñiểm có ñộ cao thủy chuẩn bao quanh khu ño, có thể áp dụng phép nội suy ñộ chênh Geoid-Ellipsoid ðể thực hiện ñiều này tại các ñiểm mốc ñộ cao cũng tiến hành thu dữ liệu GPS, ñộ chênh giữa trị số ñộ cao thủy chuẩn và ñộ cao Ellipsoid WGS-84 cho quy luật về ñộ chênh Geoid-Ellipsoid khu ño và ñược dùng ñể thay thế hoặc kết hợp với mô hình Geoid chung ñể nội suy, tính ñộ cao thủy chuẩn từ số liệu GPS

1.3 Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng trên thế giới và ở Việt Nam

1.3.1 Trên thế giới

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân ñội Hoa Kỳ ñã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn ñường và ñịnh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống ñịnh vị dẫn ñường bằng vệ tinh thế hệ ñầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt ñộng theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT ñược sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau ñó TRANSIT bắt ñầu ứng dụng trong trắc ñịa Việc thiết lập mạng lưới ñiểm ñịnh vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT

ðịnh vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà cho ñộ chính xác không cao Do vậy trong trắc ñịa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Hệ này không thoả mãn ñược các ứng dụng ño ñạc thông dụng như ño ñạc bản ñồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống ñịnh vị vệ tinh thế hệ

thứ hai ra ñời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System), ñược gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái ñất theo những quỹ ñạo xác ñịnh

ðộ chính xác ñịnh vị bằng hệ thống này ñược nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược ñiểm về thời gian quan trắc ñã ñược khắc phục Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai ñoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt ñầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm 1978 ñến năm 1985 có 11 vệ tinh Block I ñã ñược phóng lên quỹ ñạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I ñã hết thời hạn sử dụng Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt ñầu ñược phóng vào năm

1989 Sau giai ñoạn này 24 vệ tinh này ñã triển khai trên 6 quỹ ñạo nghiêng

550 so với mặt phẳng xích ñạo trái ñất với chu kỳ gần 12 giờ ở ñộ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III ñược thiết kế thay thế những vệ tinh Block II ñược phóng lần ñầu vào năm 1995 Cho ñến nay ñã có

27 vệ tinh của hệ thống GPS ñang hoạt ñộng trên quỹ ñạo

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS ñang hoạt ñộng còn có

hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một

hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng ñồng Châu Âu

Có thể nói, ứng dụng ñầu tiên của công nghệ GPS trong trắc ñịa là ño ñạc các mạng lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng Bởi vì, ưu ñiểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác ñịnh ñược véc tơ cạnh giữa các ñiểm khống chế trắc ñịa với ñộ chính xác cao mà không cần tầm thông hướng giữa các ñiểm Phương pháp ño tương ñối tĩnh là phương pháp ñược sử dụng chủ yếu ñể ño các mạng lưới khống chế trắc ñịa

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS ñể xây dựng các mạng lưới khống chế trắc ñịa ñã ñược ứng dụng phổ biến, ñại trà trong sản xuất, ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật ño tương ñối tĩnh, người

ta có thể xây dựng ñược mạng lưới các cấp có ñộ chính xác cao

Ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ GPS là ño nối mạng lưới toạ

ñộ quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ toạ ñộ trắc ñịa toàn cầu

WGS-84, hoàn chỉnh các mạng lưới toạ ñộ quốc gia ñã xây dựng bằng các công nghệ cổ truyền, tăng dày các mạng lưới tọa ñộ, xây dựng các mạng lưới mới Bằng ứng dụng này công nghệ GPS ñã tạo nên sự “giao lưu trắc ñịa” giữa rất nhiều nước thông qua việc sắp ñặt các tham số tính chuyển giữa các

hệ toạ ñộ quốc gia và hệ toạ ñộ trắc ñịa toàn cầu WGS-84 ðến nay ñã xác lập ñược sự chuyển ñổi qua lại giữa 185 hệ toạ ñộ của các nước khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84

1.3.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ GPS ñã xây dựng hoàn thiện mạng lưới ñịa chính cơ sở có ñộ chính xác tương ñương hạng III Nhà nước và mật ñộ ñiểm của lưới tương ñương hạng IV phủ trùm khắp các vùng, miền của ñất nước ta Phục vụ cho công tác tăng dày, phát triển các mạng lưới thấp hơn như: lưới cơ sở hạng IV của các dự án xây dựng, các mạng lưới ñịa chính

2 Kết hợp loại máy GPS 2 tần số và 1 tần số ñã xây dựng mạng lưới tạo ñộ trên quần ñảo Trường Sa, ño nối mạng lưới này và phần lớn ñảo chính

với mạng lưới ñất liền Các ñiểm GPS này tạo thành mạng lưới toạ ñộ biển Việt Nam gồm 36 ñiểm

3.Mạng lưới cạnh dài phủ trùm phần ñất liền của lãnh thổ Việt Nam ñã hoàn thành ñầu năm 1994 gồm 23 ñiểm GPS Lưới này ñã liên kết các lưới GPS, lưới tam giác và ñường chuyền Nhà nước

4 Công nghệ GPS với máy thu 2 tần số ñã ñược ứng dụng trong việc xây dựng mạng lưới toạ ñộ cấp “0” với 71 ñiểm phủ trùm cả nước

5 Công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng ñể ño các mạng lưới toạ ñộ quốc gia hạng III (ñịa chính cơ sở) phủ trùm cả nước với 12 631 ñiểm

6 Công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng ñể ño các mạng lưới trắc ñịa nhỏ các mạng lưới khu vực

1.4 Xây dựng lưới GPS

1.4.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới

1.4.1.1 Khái niệm về lưới GPS

Lưới GPS gồm các ñiểm ñược chôn trên mặt ñất nơi ổn ñịnh hoặc bố trí trên ñỉnh các công trình vững chắc, kiên cố Các ñiểm ñược liên kết với nhau bởi các cạnh ño, nhờ các cạnh ño chúng ta sẽ tính toán xác ñịnh tọa ñộ, ñộ cao của các ñiểm trong một hệ tọa ñộ thống nhất

1.4.1.2 Nguyên tắc thiết kế

Công tác thiết kế lưới phải tuân thủ theo các nguyên tắc sau:

- Lưới thiết kế phải ñi từ tổng quát ñến chi tiết, từ ñộ chính xác cao ñến