Ứng dụng công nghệ GPS để thành lập lưới địa chính huyện yên dũng, tỉnh bắc giang

Trong ñó công tác ño ñạc, thành lập bản ñồ ñịa chính ñược áp dụng nhiều công nghệ, máy móc hiện ñại như: máy kinh vĩ, máy toàn ñạc ñiện tử, các phần mềm ứng dụng xử lý trên máy vi tính…

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

LÊ MẠNH HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ðỂ THÀNH LẬP LƯỚI ðỊA CHÍNH HUYỆN YÊN DŨNG, TỈNH BẮC GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-

LÊ MẠNH HÙNG

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS ðỂ THÀNH LẬP LƯỚI ðỊA CHÍNH HUYỆN YÊN DŨNG, TỈNH BẮC GIANG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ðẤT ðAI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI - 2013

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… i

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./

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Lê Mạnh Hùng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… ii

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

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS Lê Minh Tá - người ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn thạc sĩ

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 hoàn thành ñề tài

Do thời gian thực nghiệm còn hạn chế, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của quý Thầy Cô ñể ñề tài hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn

Lê Mạnh Hùng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… iii

MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ðẦU 1

1 Tính cấp thiết ñề tài 1

2 Mục ñích ñề tài 3

3 Yêu cầu ñề tài 3

4 Tính khoa học và thực tiễn ñề tài 3

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1.1 Mục ñích và nguyên tắc xây dựng lưới khống chế mặt bằng 4

1.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng 5

1.1.3 Lưới ña giác (lưới ñường chuyền) 6

1.1.4 Lưới trắc ñịa vệ tinh (GPS) 7

1.2 Lưới GPS 8

1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển và ứng dụng của công nghệ GPS 8

1.2.2 Khái quát chung về hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS) 15

Chương 2 ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 ðối tượng nghiên cứu 36

2.2 Phạm vi nghiên cứu 36

2.3 Nội dung nghiên cứu 36

2.4 Phương pháp nghiên cứu 36

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… iv

3.1 ðiều tra, khảo sát, thu thập tài liệu 38

3.1.1 Khái quát ñặc ñiểm, tình hình chung của huyện Yên Dũng 38

3.1.2 Thu thập các loại tư liệu, tài liệu trắc ñịa và bản ñồ 43

3.2 Xây dựng lưới ñịa chính bằng công nghệ GPS 44

3.2.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới GPS 44

3.2.2 Cơ sở toán học của lưới ñịa chính 45

3.2.3 Quy trình xây dựng lưới ñịa chính 48

3.2.4 Xây dựng lưới ñịa chính bằng công nghệ GPS huyện Yên Dũng 49

3.2.5 Kết quả tính toán và ñánh giá ñộ chính xác 85

3.2.6 ðo kiểm tra 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92

1 Kết luận 92

2 Kiến nghị 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… v

DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Trang Bảng 1.1 Chỉ tiêu cho các dạng lưới 11

Bảng 1.2 Một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS 11

Bảng 1.3 Một số yêu cầu trong ño lưới GPS 12

Bảng 1.4 Toạ ñộ và ñộ cao các ñiểm gốc 26

Bảng 3.1 Thống kê tình trạng mốc 49

Bảng 3.2 Toạ ñộ và ñộ cao các ñiểm gốc 50

Bảng 3.3 Thống kê các cặp ñiểm ñịa chính thông hướng 51

Bảng 3.4 Thống kê số lượng ñiểm khu ño 52

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS [4] 75

Bảng 3.6 Số lượng ñiểm GPS ñã ño 86

Bảng 3.7 So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành 89

Bảng 3.8 So sánh kết quả ño ñược với kết quả ño kiểm tra 90

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… vi

DANH MỤC CÁC HÌNH STT Tên hình Trang Hình 1.1 Mô hình hình ảnh trái ñất và vệ tinh GPS 15

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS 18

Hình 1.3 Các trạm ñiều khiển GPS 19

Hình 1.4 Các thành phần chính của GPS 20

Hình 1.5 Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối 22

Hình 1.6 Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 24

Hình 1.7 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm 28

Hình 1.8 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 30

Hình 3.1 Quy cách mốc ñịa chính 54

Hình 3.2 Cửa sổ Select Date 57

Hình 3.3 Cửa sổ Add New Point 57

Hình 3.4 Cửa sổ Auto View Time Selection 58

Hình 3.5 Cửa sổ ListTimes 58

Hình 3.6: Máy ño GPS Trimble R3 63

Hình 3.7 Cửa sổ New Project 67

Hình 3.8 Cửa sổ Import 68

Hình 3.9 Cửa sổ Load số liệu 68

Hình 3.10 Cửa sổ biên tập số liệu 69

Hình 3.11 Sơ ñồ lưới bình sai 70

Hình 3.12 Cửa sổ xử lý cạnh 71

Hình 3.13 Cửa sổ thông tin về cạnh 72

Hình 3.14 Cửa sổ kiểm tra cạnh 73

Hình 3.15 Cửa sổ Load kiểm tra sai số khép hình 73

Hình 3.16 Cửa sổ tại hệ tọa ñộ vn2000 75

Hình 3.17 Cửa sổ sử dụng 3 tham số 76

Hình 3.18 Cửa sổ sử dụng 7 tham số 77

Hình 3.19 Cửa sổ tạo kinh tuyến 78

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… vii

Hình 3.20 Cửa sổ hệ kinh tuyến 78

Hình 3.21 Cửa sổ gọi hệ thống toạ ñộ vừa tạo 79

Hình 3.22 Cửa sổ nhập tọa ñộ, ñộ cao ñiểm gốc 80

Hình 3.23 Cửa sổ bình sai 80

Hình 3.24 Cửa sổ kết quả bình sai lưới mặt bằng 81

Hình 3.25 Cửa sổ kết quả bình sai lưới ñộ cao 82

Hình 3.26 Cửa sổ Project Report 83

Hình 3.27 Cửa sổ trimble total control 83

Hình 3.28 Cửa sổ Hyper Page (tmv7.m) 84

Hình 3.29 Cửa sổ trimble total control 84

Hình 3.30 Cửa sổ biên tập TTC 85

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… viii

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

ðộ suy giảm chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

và thời gian

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

ðộ suy giảm chính xác theo phương dọc

X, Y, h : Tọa ñộ X, Y, ðộ cao thủy chuẩn tạm thời

Mx, My, Mh : Sai số theo phương x, y, h

VTNT : Vệ tinh nhân tạo

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 1

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết ñề tài

Trong giai ñoạn hiện nay cũng như trong tương lai lâu dài, công tác quản lý Nhà nước về ñất ñai giữ vai trò rất quan trọng trong việc phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường, giữ vững an ninh, quốc phòng và toàn vẹn lãnh thổ quốc gia 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 ñã phát triển nhanh chóng và ñạt ñược những thành tựu khoa học ñáng kể Trong ñó công tác ño ñạc, thành lập bản ñồ ñịa chính ñược áp dụng nhiều công nghệ, máy móc hiện ñại như: máy kinh vĩ, máy toàn ñạc ñiện tử, các phần mềm ứng dụng xử lý trên máy vi tính…

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS 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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 2

thương mại hóa, ñược ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt ñộng kinh tế, xã hội Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của ñời sống xã hội ñã và ñang áp dụng công nghệ GPS Trong trắc ñịa cũng vậy, công nghệ GPS ñã mở ra thời kỳ mới, ñã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng mạng lưới tọa ñộ các cấp Với ngành trắc ñịa bản ñồ thì ñây là cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ñã ñược công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc ñịa bản ñồ bởi các tính ưu việt sau: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiểm từ ñiểm gốc khác mà không cần thông hướng; ñộ chính xác ño ñạc ít phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết (có thể ño trong mọi ñiều kiện thời tiết); việc ño ñạc tọa ñộ các ñiểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái ñất; kết quả ño ñạc có thể tính trong hệ tọa ñộ toàn cầu hoặc hệ tọa

Huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang những năm qua có tốc ñộ phát triển kinh

tế tương ñối nhanh, kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là phải thành lập ñược bản ñồ ñịa chính (BððC) có ñộ chính xác cao Muốn có ñược ñiều ñó cần phải xây dựng hệ thống lưới ñịa chính trên ñịa bàn huyện

ðể mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần ñưa công nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới ñịa chính tỉnh Bắc Giang, chúng tôi tiến hành

nghiên cứu ñề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS ñể thành lập lưới ñịa chính huyện

Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang”

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 3

2 Mục ñích ñề tài

Thông qua việc nghiên cứu tại huyện Yên Dũng nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào xây dựng lưới ñịa chính trên phạm vi toàn tỉnh Bắc Giang

3 Yêu cầu ñề tài

Thiết kế, thi công lưới ñịa chính trên ñịa bàn khu ño thuộc huyện Yên Dũng, tỉnh Bắc Giang Phân tích, ñánh giá ñộ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới ñịa chính trên phạm vị toàn tỉnh Bắc Giang

4 Tính khoa học và thực tiễn 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 lưới, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 4

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Lưới khống chế mặt bằng [2]

1.1.1 Mục ñích và nguyên tắc xây dựng lưới khống chế mặt bằng

Nghiên cứu chi tiết hình dáng và thế trọng trường trái ñất cũng như sự thay ñổi của nó theo thời gian

Thiết lập hệ toạ ñộ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thoả mãn những nhu cầu chung

Làm cơ sở ñể xây dựng lưới khống chế ño vẽ các loại bản ñồ ñịa hình, ñịa chính với các loại tỷ lệ lớn nhỏ khác nhau

ðo lưới trắc ñịa quốc gia phải ñảm bảo các nhiệm vụ kỹ thuật nên việc xây dựng lưới trắc ñịa quốc gia phải ñảm bảo những nguyên tắc sau:

- Phải dày ñặc và bao phủ toàn quốc

- Phải có ñủ mật ñộ ñiểm cần thiết

- Lưới trắc ñịa cơ sở Nhà nước có ñộ chính xác cao

- Phải ñược xây dựng ñảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật

Mỗi quốc gia ñều có những phương án xây dựng lưới khống chế mặt bằng khác nhau, những quốc gia nhỏ thường xây dựng lưới tam giác dày ñặc, những quốc gia lớn thường xây dựng phương án khoá tam giác

Lưới khống chế mặt bằng thường ñược xây dựng từ toàn diện ñến cục bộ, từ

ñộ chính xác cao ñến ñộ chính xác thấp trước hết người ta xây dựng mạng lưới ñiểm khống chế có mật ñộ thưa và ñộ chính xác cao phủ chùm toàn bộ lãnh thổ cần nghiên cứu, sau ñó chêm dày bằng các lưới khống chế có mật ñộ ñiểm dày hơn và

có ñộ chính xác thấp hơn Lưới cấp thấp nhất có ñộ chính xác ñáp ứng nhu cầu của công tác trắc ñịa ño vẽ các loại bản ñồ ở các tỷ lệ khác nhau

Lưới khống chế mặt bằng ñịa phương là lưới thiết kế riêng cho một khu vực chưa có hoặc quá xa các ñiểm toạ ñộ Nhà nước

Lưới chuyên dùng là lưới thiết kế riêng cho một khu vực hoặc mục ñích kinh

tế, quốc phòng

Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 5

Lưới toạ ựộ Nhà nước Việt Nam hiện nay ựược xây dựng gồm 04 cấp ựó là: Lưới cấp 0, lưới cấp I, lưới cấp II và lưới ựịa chắnh cơ sở

Ở Việt Nam lưới ựịa chắnh cơ sở ựược ựo bằng công nghệ GPS với ựộ chắnh xác cao Xây dựng lưới ựịa chắnh cơ sở cần tuân thủ một số nguyên tắc sau:

đảm bảo ựủ mật ựộ ựiểm ựịa chắnh cơ sở cần thiết ựể phát triển lưới ựịa chắnh

Lưới phải ựược ựo nối với các ựiểm toạ ựộ Nhà nước hạng I, hạng II ắt nhất

03 ựiểm Các ựiểm hạng cao phải phân bố ựều trên mạng lưới

Lưới có thể thiết kế dạng ựường chuyền, chuỗi tam giác hoặc mạng lưới tam giác dày ựặc Các ựiểm của mạng lưới tốt nhất là chọn từng cặp thông hướng với nhau ựể thuận tiện cho việc ựo nối sau này Các ựiểm ựịa chắnh cơ sở phải ựảm bảo góc nhìn bầu trời tại ựiểm quan sát không bị che khuất là 1500 và cách xa các ựài phát sóng từ 500m trở lên ựể tránh bị nhiễu Các ựiểm cũ của lưới hạng III Nhà nước có trong khu ựo ựược dùng vào mạng lưới và ựo như các ựiểm mới

Mốc toạ ựộ ựịa chắnh cơ sở là loại mốc bê tông chôn sâu dưới ựất và ựược xây dựng theo tiêu chuẩn ựược Nhà nước quy ựịnh

1.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng

1.1.2.1 Lưới tam giác ựo góc

Phương pháp này ựược ứng dụng vào ựầu thế kỷ XX khi chưa phát triển máy

- đồ hình là những tam giác gần ựều

- đòi hỏi phải thông hướng cho tất cả các ựiểm

- Cạnh không thể dài do ảnh hưởng của chiết quang và ựộ cong trái ựất

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 6

1.1.2.2 Lưới tam giác ño cạnh và lưới ño góc cạnh

ðồ hình cơ bản trong lưới tam giác ño cạnh vẫn là hình tam giác nhưng ñể có trị ño thừa người ta hay chọn tứ giác trắc ñịa hoặc ña giác trung tâm làm ñồ hình cơ bản của lưới tam giác ño cạnh vì trong một tam giác ño 3 cạnh không có trị ño thừa Khi ñộ chính xác ño cạnh tương ñương như ñộ chính xác ño góc, sai số trung phương của các yếu tố trong lưới ño cạnh lớn gấp 2¸ 3 lần so với lưới ño góc Nhưng cho ñến nay do nhược ñiểm không kiểm tra ñược kết quả ño ở thực ñịa, cho nên lưới tam giác ño cạnh chưa ñược ứng dụng vào thực tế

Trong thực tế, nhiều lưới trắc ñịa mặt bằng có dạng tổng hợp cả hai dạng lưới cơ bản nói trên Lưới tam giác ño cạnh nói riêng và lưới ño góc cạnh có ñộ chính xác các yếu tố trong lưới ít chịu ảnh hưởng của kết cấu hình học của lưới Lưới ño góc cạnh có ưu ñiểm cơ bản là công tác bố trí ño ở thực ñịa rất linh hoạt vì không cần thiết phải ño ño tất cả các góc và các cạnh

1.1.3 Lưới ña giác (lưới ñường chuyền)

Khái niệm: ðường chuyền là một dạng cơ bản của lưới khống chế mặt bằng Trên khu ño bố trí các ñiểm nối với nhau tạo thành ñường gãy khúc, trong trắc ñịa người ta gọi ñó là "ðường chuyền", "ðường ña giác'', "ðường sườn" ðo tất cả các cạnh và góc ngoặt của ñường chuyền ta sẽ xác ñịnh ñược vị trí tương hỗ giữa các ñiểm Nếu biết tọa ñộ của một ñiểm và góc phương vị của một cạnh ta dễ dàng tính

ra góc phương vị và các tọa ñộ của các ñiểm khác trên ñường chuyền

- Phương pháp ñường chuyền chỉ thích ứng ở những khu vực mà ở ñó nếu áp dụng phương pháp tam giác thì phải dựng hàng loạt tiêu cao

- Lưới ñường chuyền chọn ñiểm linh hoạt hơn nhưng ñiều kiện ràng buộc ít hơn nên ñộ chính xác các yếu tố của lưới kém lưới ño góc Từ những năm 1960 trở lại ñây phương tiện ño cạnh có nhiều cải tiến, ñặc biệt từ khi có các máy toàn ñạc ñiện tử (Total station) vừa ño góc vừa ño cạnh có ñộ chính xác cao nên phương pháp ña giác ñược dùng khá phổ biến

- ðồ hình cơ bản của ñường chuyền có thể chia thành 3 dạng chính cơ bản là

“ñường chuyền phù hợp”, “lưới ñường chuyền” và “ñường chuyền khép kín”

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 7

- ðối với khu vực ño kéo dài, hai ñầu có các ñiểm khống chế cấp cao thì dùng dạng ñường chuyền phù hợp

* Những yêu cầu kỹ thuật cơ bản của ñường chuyền:

- ðường chuyền hạng I xây dựng theo các vòng khép kín

- ðường chuyền hạng II xây dựng bên trong các vòng khép ñường chuyền hoặc khoá tam giác hạng I ở dạng lưới

- Những ñiểm ñường chuyền hạng III ñược xác ñịnh trên cơ sở những ñiểm tam giác, ñường chuyền hạng cao bằng các tuyến ñường ñơn hoặc hệ thống các ñường chuyền có một hoặc nhiều ñiểm nút

- Những ñiểm ñường chuyền hạng IV ñược xác ñịnh trên cơ sở những ñiểm trắc ñịa Nhà nước cấp cao bằng các ñường chuyền ñơn hoặc hệ thống các ñường tạo thành những ñiểm nút

1.1.4 Lưới trắc ñịa vệ tinh (GPS)

Lưới trắc ñịa vệ tinh (TðVT) là thuật ngữ chung ñể chỉ lưới trắc ñịa hoặc ñiểm trắc ñịa ñược xác ñịnh bằng các phương pháp quan sát vệ tinh nhân tạo (VTNT) Phương pháp trắc ñịa vệ tinh ra ñời từ những năm 60 của thế kỷ XX, ñầu tiên người ta chụp ảnh VTNT trên nền sao, xác ñịnh hướng từ ñiểm ngắm ñến vệ tinh, khoảng cách từ ñiểm ngắm ñến vệ tinh ñược ño bằng các máy ño khoảng cách Laser ñến vệ tinh Sai số vị trí ñiểm mặt ñất cần ñịnh vị từ chỗ ± 100m sau chỉ còn

cỡ ± 10m Thập kỷ 70 với kỹ thuật Doppler vệ tinh, ñộ chính xác ñịnh vị ñạt cỡ vài

dm và hiện nay với công nghệ GPS, ñộ chính xác ñịnh vị tuyệt ñối có thể ñạt ± 30m, còn ñộ chính xác ñịnh vị tương ñối có thể ñạt cm thậm chí vài mm Ưu ñiểm của lưới GPS không cần thông hướng giữa các ñiểm trên mặt ñất, ñộ chính xác của lưới ít phụ thuộc vào ñồ hình do vậy công tác thiết kế lưới thuận lợi hơn so với phương pháp truyền thống Công tác tổ chức ño GPS không phụ thuộc vào ñiều kiện ngoại cảnh ðộ chính xác của lưới GPS cao và ñồng ñều

Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam, lưới trắc ñịa vệ tinh bằng công nghệ GPS ñược dùng thay cho việc xây dựng lưới cao hơn hạng I (cấp "0") và ñến cả cấp khống chế thấp nhất

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 8

1.2 Lưới GPS

1.2.1 Vài nét về lịch sử phát triển và ứng dụng của công nghệ GPS

1.2.1.1 Trên thế giới [17]

Sự ra ñời của những phương tiện vận chuyển như máy bay, và những con tàu

vũ trụ ñòi hỏi ñiều khiển những thiết bị ñó trong không gian ba chiều Trước những ñòi hỏi về kỹ thuật ñó nhiều nhà khoa học ñã ñược chính phủ Mỹ tài trợ ñể thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn ñường dựa trên vũ trụ

Lịch sử phát triển: Thập niên 1920: Ra ñời hệ thống dẫn ñường vô tuyến ðầu ðại chiến thế giới 2: LORAN, hệ thống dẫn ñường áp dụng phương pháp ño ñộ lệch thời gian của tín hiệu sóng vô tuyến, do Phòng thí nghiệm Bức xạ ðại học MIT (MIT Radiation Laboratory) LORAN cũng là hệ thống ñịnh vị trong mọi ñiều kiện thời tiết thực sự ñầu tiên nhưng hai chiều (kinh ñộ và vĩ ñộ) Năm 1957: Vệ tinh Sputnik của Nga ñược phóng lên vũ trụ ðại học MIT cho rằng tín hiệu vô tuyến ñiện của vệ tinh có thể tăng lên khi chúng tiếp cận trái ñất và giảm ñi khi rời khỏi trái ñất và do vậy có thể truy theo vị trí từ mặt ñất Năm 1959: TRANSIT, hệ thống dẫn ñường dựa trên vệ tinh hoạt ñộng ñầu tiên, do Phòng thí nghiệm vật lý ứng dụng Johns Hopkins phát triển dưới sự chỉ ñạo của TS Richard Kirschner Mặc dù khởi ñầu Transit ñược chế tạo ñể hỗ trợ cho ñội tàu ngầm của Mỹ nhưng những công nghệ này ñã ñược phát triển có ích trở thành Hệ thống ñịnh vị toàn cầu Vệ tinh Transit ñầu tiên ñược phóng lên vũ trụ vào năm 1959

Năm 60 của thế kỷ XX, 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 ñộ chính xác

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 9

không ñáp ứng ñược yêu cầu ñịnh vị tức thời ñộ chính xác 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" Ngày 22/2/1978 vệ tinh Block I ñầu tiên ñược phóng Toàn bộ 11 vệ tinh Block I ñược phóng trong khoảng thời gian 1978 và 1985 trên Atlas-Centaur Những vệ tinh Block I do Rockwell International xây dựng ñược coi là những vệ tinh mẫu phát triển ñược dùng ñể kiểm tra hệ thống Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I ñã hết thời hạn sử dụng

Ngày 14/2/1989 vệ tinh ñầu tiên của các vệ tinh Block II ñã ñược phóng từ Cape Canaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster) Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch cho các vệ tinh Block II ñược Rockwell Intenational ñóng 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, các vệ tinh này bay phía trên trái ñất ở ñộ cao 20.200 km (11.900 NM ) với tốc ñộ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền ñi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận 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 32 vệ tinh của hệ thống GPS ñang hoạt ñộng trên quỹ ñạo

Năm 1983 bằng công nghệ GPS người ta xây dựng mạng lưới trắc ñịa ở Eifel (CHLB ðức) Tiếp theo ñó nhiều mạng lưới cũng ñược xây dựng ở Montgomery Country, Pennsylvani (Mỹ)… Ưu ñiểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 10

GPS là có thể xác ñịnh ñược các véc tơ cạnh giữa các ñiểm trắc ñịa với ñộ chính xác cao mà không ñòi hỏi sự thông hướng giữa các ñiểm ñó Ngay từ những năm 90 của thế kỷ XX, khi hiểu ñược lợi thế của GPS người ta ñã nói rằng, công nghệ GPS ñã ñưa các phương pháp xây dựng lưới trắc ñịa truyền thống thành “Những con khủng long thời tiền sử” ðể hướng dẫn thành lập lưới GPS tiểu ban lưới trắc ñịa (FGCS) của hiệp hội trắc ñịa quốc tế ñã nghiên cứu và xuất bản “Tiêu chuẩn ñộ chính xác trắc ñịa hình học và hướng dẫn sử dụng kỹ thuật ñịnh vị GPS tương ñối” (Geometric Geodetic Accuracy Standards and Specification for using GPS Relative Positioning Techniques) và tài liệu “Các tiêu chuẩn và hướng dẫn ñối với lưới khóng chế trắc ñịa” (Standards Standards and Specification for Geodetic Contron Networks) Cho ñến nay nhiều nước trên thế giới ñã coi GPS là phương pháp chủ yếu trong xây dựng các mạng lưới trắc ñịa

Bằng kỹ thuật ño tương ñối tĩnh, người ta có thể xây dựng ñược các mạng lưới có cạnh dài ñến hàng nghìn km Khung toạ ñộ quốc tế ITRF (International Celestial Reference Frame) thực chất là mạng lưới có cạnh dài như vậy Bằng công nghệ GPS các nước châu Âu ñã cùng nhau xây dựng khung toạ ñộ châu Âu gọi là EUREF (European Referance Frame) Từ khi GPS ñược sử dụng trong trắc ñịa, một

số quy tắc và tiêu chuẩn phân cấp lưới toạ ñộ trước ñây ñã bị thay ñổi Năm 1988, người ta ñã phân cấp và ñưa ra các chỉ tiêu cho các dạng lưới như sau:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 11

Bảng 1.1 Chỉ tiêu cho các dạng lưới

ðộ chính xác

Sai số cơ bản a

Sai số phụ thuộc chiều dài cạnh b

ms/s Phân loại lưới Cấp

mm ppm 1/T Nghiên cứu ñịa ñộng lực

khu vực và toàn cầu AA 3 0.01 1:100000000

Hệ quy chiếu toạ ñộ quốc

gia, lưới cấp hai A 5 0.1 1:10000000

Hệ quy chiếu toạ ñộ quốc

Bảng 1.2 Một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 12

Trong quy trình trên còn quy ñịnh một số yêu cầu trong ño lưới GPS như sau:

Bảng 1.3 Một số yêu cầu trong ño lưới GPS Hạng mục Phương

pháp Hạng II Hạng II Hạng II Cấp 1 Cấp 2

Góc ngưỡng

(ñộ)

ðo tĩnh Tính nhanh ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15

Số lượng VT hiệu

dụng

Tĩnh Tĩnh nhanh ≥ 4

hiệu (s)

Tĩnh Tĩnh nhanh 10 ~ 60 10 ~ 60 10 ~ 60 10 ~ 60 10 ~ 60

Từ khi có công nghệ GPS, người ta ñã ñưa các khái niệm mới ñối với lưới trắc ñịa ñó là các mạng lưới tĩnh (Passive control networks) và các mạng lưới ñộng (Active control networks)

Các mạng lưới tĩnh là các mạng lưới có các mốc cố ñịnh trên mặt ñất ñược

ño với ñộ chính xác cao và là cơ sở trắc ñịa trải rộng liên tục trên một diện tích nhất ñịnh Các số liệu của các ñiểm trong mạng lưới ñược gọi là không ñổi và không có sai số Các mạng lưới này thường có ñộ chính xác ño chiều dài cạnh cỡ 1:250000 và

ño ñộ cao cỡ một vài mm trên 1km Có thể thấy rằng các mạng lưới này thuộc hệ thống lưới toạ ñộ và ñộ cao Nhà nước

Các mạng lưới ñộng là các mạng lưới gồm một số ñiểm cố ñịnh có vai trò là các trạm theo dõi (Moniter Stations) làm cơ sở ñể xác ñịnh toạ ñộ cho nhiều ñiểm khác Các ñiểm cần xác ñịnh toạ ñộ cũng có thể là các ñiểm chuyển ñộng cần xác ñịnh toạ ñộ tức thời Với ý tưởng này từ nguyên tắc ño GPS vi phân (DGPS) người

ta ñã xây dựng hệ ñịnh vị vi phân diện rộng WADGPS (Wide – Area diferentital GPS) hệ thống ACS của Canada Canadian Active Coltrol System) là một ví dụ về

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 13

loại lưới này Mạng ACS ñược xây dựng bắt ñầu năm 1985, bao gồm 20 trạm theo dõi bố trí ñều có trạm chủ ñặt tại Ottawa Hiện nay một số nước ñã phát triển kỹ thuật ñịnh vị ñộng với các trạm tham chiếu ảo VRS (Virtual Reference Station)

1.2.1.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam phương pháp ñịnh vị vệ tinh ñã ñược ứng dụng từ những năm ñầu thập kỷ 90, cục ño ñạc và bản ñồ Nhà nước ñã quyết ñịnh ứng dụng công nghệ GPS ñể ñổi mới công nghệ xây dựng lưới toạ ñộ Sau khi thử nghiệm thành công, công nghệ GPS ñược áp dụng ngay vào sản xuất ñể thi công lưới toạ ñộ cạnh ngắn Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên gồm 117 ñiểm ðây là những ñịa bàn còn lại chưa có lưới toạ ñộ vì không ñủ ñiều kiện ñể thi công theo công nghệ ño ñạc truyền thống

Năm 1991, công nghệ GPS khoảng cách dài ñược thử nghiệm thành công, từ năm 1991 - 1992 chúng ta ñã sử dụng công nghệ GPS ñể xây dựng một số mạng lưới hạng II ở những vùng khó khăn (Minh Hải, Tây Nguyên…) Sử dụng GPS ñể xây dựng lưới trắc ñịa biển gồm 36 ñiểm ño nối tất cả các ñảo, quần ñảo lớn với ñất liền trong ñó có 23 ñiểm trên quần ñảo Trường Sa, kết nối ñất liền với hải ñảo xa trong một hệ thống toạ ñộ chung

Năm 1995, Tổng cục ñịa chính ñã quyết ñịnh xây dựng lưới toạ ñộ cấp “0” bằng công nghệ GPS cạnh dài (bằng máy 2 tần) với chiều dài cạnh trung bình khoảng 120 km gồm 71 ñiểm trong ñó có 56 ñiểm trùng các ñiểm toạ ñộ hạng I, hạng II ñã ño; Trong số các ñiểm mới ño có một ñiểm gốc mới ở Hà Nội Lưới toạ

ñộ cấp “0” ñóng vai trò kiểm tra chất lượng các lưới toạ ñộ hạng I, hạng II ñã xây dựng, kết nối thống nhất và tăng cường ñộ chính xác cho các lưới toạ ñộ cũ, xây dựng hệ quy chiếu ñộ chính xác cao, làm cơ sở ño nối toạ ñộ với các lưới quốc tế

Hệ quy chiếu và Hệ toạ ñộ Quốc gia là cơ sở toán học của công tác trắc ñịa

và bản ñồ mà mỗi quốc gia nhất thiết phải xác lập ñể thể hiện ñộ chính xác và thống nhất các dữ liệu ño ñạc và bản ñồ Hệ quy chiếu và hệ toạ ñộ quốc gia HN-72 ñến giai ñoạn này không còn ñáp ứng ñược các yêu cầu kỹ thuật mà thực tế ñòi hỏi Do

ñó việc lựa chọn một hệ quy chiếu Quốc gia mới phù hợp và chính xác là nhiệm vụ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 14

bức xúc ñược Tổng cục ñịa chính ñặc biệt quan tâm Công nghệ GPS ñã ñóng góp ñáng kể trong việc thực hiện nhiệm vụ trên

Công trình tính toán xác ñịnh hệ quy chiếu hợp lý cho Việt Nam, bình sai hệ thống lưới toạ ñộ Nhà nước ñể thống nhất hệ toạ ñộ Quốc gia ñược bắt ñầu từ năm

1992 Năm 1998, Tổng cục ñịa chính ño ñạc bổ sung, tích hợp lưới toạ ñộ cấp “0”, ñịnh vị hệ quy chiếu bằng trị ño GPS - thuỷ chuẩn, xây dựng mô hình Geoid, kết nối với các lưới quốc tế, bình sai hỗn hợp lưới vệ tinh - mặt ñất ñể xác ñịnh Hệ quy chiếu và Hệ toạ ñộ Quốc gia

Từ năm 1995, ñể phục vụ cho công tác ño ñạc lập bản ñồ ñịa chính ở ñịa phương, Tổng cục ðịa chính bắt ñầu triển khai xây dựng lưới ñịa chính cơ sở (tương ñương lưới toạ ñộ Quốc gia hạng III) Việc tính toán bình sai tổng thể mạng lưới ñã hoàn thành vào năm 2004 Bộ Tài nguyên và Môi trường ñã kết thúc công tác xây dựng mạng lưới ñịa chính cơ sở và chính thức công bố hoàn thành (gồm 13.836 ñiểm) Toàn bộ lưới toạ ñộ này ñược ño ñạc bằng công nghệ GPS

Hiện nay Cục ðo ñạc và Bản ñồ Việt Nam ñã ñược ñầu tư xây dựng 6 trạm GPS cố ñịnh: ðồ Sơn, Vũng Tàu, Lai Châu, Hà Giang, Cao Bằng, Quảng Nam cung cấp số liệu cải chính phân sai cho ño toạ ñộ bằng công nghệ GPS trong ño vẽ bản

ñồ, ñiều tra Tài nguyên, phân giới cắm mốc và phục vụ an ninh quốc phòng

Ở nước ta công nghệ GPS ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi trong công tác xây dựng lưới ñịa chính và lưới khống chế ño vẽ ñể thành lập bản ñồ ñịa chính các

tỷ lệ tại một số ñịa phương Qua thực tế thấy rằng công nghệ này có chiều hướng phát triển tốt, khả năng ứng dụng cao, ñem lại hiệu quả cả về kỹ thuật và kinh tế Các chỉ tiêu thành lập lưới ñịa chính bằng công nghệ GPS ñã ñược quy ñịnh tại Quyết ñịnh số 08/2008/Qð-BTNMT ngày 10 tháng 11 năm 2008 của Bộ Tài nguyên và Môi trường

- Một số máy thu GPS ñang sử dụng ở nước ta hiện nay:

+ Máy thu GPS 1 tần số (L1) STEP 1 của hãng ASHTECH (Mỹ)

+ Máy thu GPS 1, 2 tần số (L1, L2) Z-12 của hãng ASHTECH (Mỹ)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 15

+ Máy thu GPS 1 tần (L1) 4600LS của hãng TRIMBLE (Mỹ)

+ Máy thu GPS 1, 2 tần số (L1,L2) 4800 của hãng TRIMBLE (Mỹ)

+ Máy thu GPS 1 tần số (L1) SR-510 của hãng Leica AG (Thụy Sĩ )

+ Máy thu GPS 1, 2 tần số (L1, L2) SR-530 của hãng Leica AG (Thụy Sĩ ) + Máy thu GPS 1 tần số (L1) RN-101 của hãng Desaunt-sersel (Pháp)

+ Máy thu GPS 1 tần số (L1) GB-1000 của hãng Topcon (Nhật Bản)

+ Máy thu GPS tần số (L1, L2, L5 ) GR-3 của hãng Topcon (Nhật Bản) + Máy thu GPS 1 tần số (L1) R-3 của Mỹ do hãng TRIMBLE (Mỹ)

1.2.2 Khái quát chung về hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS)

1.2.2.1 Khái niệm về GPS [23]

Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System Hệ thống GPS gồm 03 bộ phận cấu thành ñó là: ðoạn không gian, ñoạn ñiều khiển và ñoạn sử dụng

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

1.2.2.2 Các thành phần của GPS

• ðoạn không gian

ðoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển ñộng trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo, ở

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 16

ñộ cao khoảng 20.200 km Mặt phẳng quỹ ñạo nghiêng so với mặt phẳng xích ñạo một góc 550 Vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo gần như tròn với chu kỳ 718 phút Theo thiết kế hệ thống gồm 24 vệ tinh, trên mỗi quỹ ñạo có 4 vệ tinh Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ ñạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí nào trên trái ñất ñều thu ñược tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh GPS

Các vệ tinh ñược cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dự phòng ñể duy trì hoạt ñộng khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay ñúng quỹ ñạo ñã ñịnh

Chương trình ñưa các vệ tinh lên quỹ ñạo ñược chia làm các khối như sau: Khối I, II, II-A, II-R và II-F Tính ñến năm 1998 chỉ còn lại 3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II cùng II-A làm việc Năng lượng cung cấp cho hoạt ñộng của các thiết bị vệ tinh là năng lượng pin mặt trời

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1.600 kg khi phóng và khoảng 800

kg trên quỹ ñạo Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng lớn hơn và tuổi thọ cũng dài hơn tuổi thọ của các vệt tinh trước ñó

Mỗi vệ tinh thuộc khối I ñược trang bị 4 ñồng hồ nguyên tử, 2 ñồng hồ thuộc loại censium và 2 ñồng hồ thuộc loại rubidium Thêm vào ñó mỗi ñồng hồ ñược trang bị thêm bộ tạo dao ñộng thạch anh rất chính xác

Tất cả các vệ tinh GPS ñều có thiết bị tạo dao ñộng với tần số chuẩn cơ sở f0

= 10,23 Mhz Tần số này còn là tần số chuẩn của ñồng hồ nguyên tử, với ñộ chính xác cỡ 10-12 Từ tần số chuẩn f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải L1 và L2

Sóng tải L1 có tần số f1= 154f0=1575,42 Mhz, có bước sóng λ1= 19,032 cm Sóng tải L2 có tần số f2= 120f0=1227,60 Mhz, có bước sóng λ2= 24,42 cm

Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn Với tần số lớn như vậy các các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng ñiện ly (tầng Ion) và tầng ñối lưu vì mức ñộ làm chậm tín hiệu do tầng ñiện ly tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số

ðể phục vụ cho các ñối tượng và các mục ñích 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

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 17

C/A code (Coarse/Acusition code) là code thô cho phép sử dụng rộng rãi C/A code mang tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1,023 Mhz) tương ứng với bước sóng 293 mét C/A code chỉ ñiều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của trạm ñiều khiển trên mặt ñất có thể chuyển sang

cả L2 Chu kỳ của C/A code là 1 mili giây, trong ñó có chứa 1.023 bite, mỗi vệ tinh phát ñi một code khác nhau

P-code (Pricision code) là code chính xác ñiều biến cả sóng tải L1 và L2 có

ñộ dài cỡ 1014 bite và là code tựa ngẫu nhiên PRN-code (Psudorandom Noise) Tín hiệu của P-code có tần số ñúng bằng tần số chuẩn f0 (10,23 Mhz) tương ứng với bước sóng 29,3 mét Mỗi vệ tinh sử dụng một ñoạn code này (tương ñương với ñộ dài một tuần lễ gọi là “code tuần lễ”) Code tựa ngẫu nhiên là cơ sở ñể ñịnh vị tuyệt ñối khoảng cách giả, ñồng thời có thể dựa vào ñó ñể nhận biết ñược số hiệu vệ tinh P-code ñược dùng cho mục ñích quân sự của Mỹ và chỉ ñược sử dụng vào mục ñích khác khi Mỹ cho phép

Y-code là code bí mật phủ lên P-code nhằm giữ bí mật kỹ thuật gọi là kỹ thuật AS (Anti- Spoofing) Chỉ có các vệ tinh thuộc khối II mới có khả năng này Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao ñổi với các trạm ñiều khiển trên mặt ñất qua các tần số 1783,74 Mhz và 1227,75 Mhz ñể truyền các thông tin ñạo hàng và các lệnh ñiều khiển tới vệ tinh Tất cả các code ñược khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ vào ñúng nửa ñêm thứ 7 Như vậy, tuần lễ GPS là ñơn vị thời gian lớn nhất trong công nghệ GPS

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 18

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

• ðoạn kiểm soát (ñiều khiển)

Mục ñích trong phần này là kiểm soát vệ tinh ñi ñúng hướng theo quỹ ñạo và thông tin thời gian chính xác Có 5 trạm kiểm soát ñặt trên mặt ñất ở Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein Bốn trạm kiểm soát hoạt ñộng một cách tự ñộng phân bổ quanh trái ñất, và một trạm kiểm soát là trung tâm ñặt tại Colorado Springs Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từ những vệ tinh

và gửi các thông tin này ñến trạm kiểm soát trung tâm Trạm ñiều khiển trung tâm thu nhận tất cả tín hiệu của 4 trạm theo dõi Sau ñó cùng với tín hiệu của trạm trung tâm ñể tính toán quỹ ñạo vệ tinh và các tham số ñồng hồ vệ tinh Kết quả này ñược chuyển tới các trạm ñiều khiển ñể chuyển lại vệ tinh và từ ñó phát tới các máy thu của ñoạn sử dụng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 19

Trạm trung tâm cũng có thể truy cập từ các ăng-ten mặt ñất của U.S Air

Force Satellite Control Network (AFSCN) và các trạm quan sát NGA (National

Geospatial-Intelligence Agency) Các ñường bay của vệ tinh ñược ghi nhận bởi các trạm quan sát chuyên dụng của Không quân Hoa Kỳ ñặt ở Hawaii, Kwajalein, ðảo Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs, Colorado và Cape Canaveral, cùng với các trạm quan sát NGA ñược vận hành ở Anh, Argentina, Ecuador, Bahrain, Úc và Washington DC.[5] Thông tin ñường bay của vệ tinh ñi ñược gởi ñến Air Force

Space Command's MCS ở Schriever Air Force Base 25 km ñông ñông nam của Colorado Springs, do 2nd Space Operations Squadron (2 SOPS) của U.S Air Force vận hành Sau ñó 2 SOPS liên lạc thường xuyên với mỗi vệ tinh GPS thông qua việc cập nhật ñịnh vị sử dụng các ăng-ten mặt ñất chuyên dụng hoặc dùng chung (AFSCN)(các ăng-ten GPS mặt ñất chuyên dụng ñược ñặt ở Kwajalein, ñảo Ascension, Diego Garcia, và Cape Canaveral) Các thông tin cập nhật này ñồng bộ hóa với các ñồng hồ nguyên tử ñặt trên vệ tinh trong vòng một vài phần tỉ giây cho mỗi vệ tinh, và hiệu chỉnh lịch thiên văn của mô hình quỹ ñạo bên trong mỗi vệ tinh Việc cập nhật ñược tạo ra bở bộ lọc Kalman sử dụng các tín hiệu/thông tin từ các trạm quan sát trên mặt ñất, thông tin thời tiết không gian, và các dữ liệu khác

Hình 1.3 Các trạm ñiều khiển GPS

• ðoạn sử dụng

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

Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 20

- Phần cứng là các máy ựo có nhiệm vụ thu tắn hiệu vệ tinh ựể tắnh trị ựo

khoảng cách từ máy thu ựến vệ tinh và tọa ựộ vệ tinh ở thời ựiểm ựo

- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin ựể cung cấp tọa ựộ máy thu

- đoạn sử dụng bao gồm các máy móc, thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh ựể khai thác sử dụng cho các mục ựắch và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như: Dẫn ựường trên biển, trên không, trên ựất liền và phục vụ cho công tác ựo ựạc ở nhiều nơi trên thế giới đó có thể là một máy thu riêng biệt, hoạt ựộng ựộc lập (trong ựịnh vị tuyệt ựối), hay một nhóm từ hai máy thu trở lên hoạt ựộng ựồng thời theo một lịch trình thời gian nhất ựịnh (trường hợp ựịnh vị tương ựối), hoặc có thể thu tắn hiệu GPS với một số thiết bị thu khác ựể thực hiện các kỹ thuật ựo ựộng thời gian thực (Real time Kinematic-RTK), ựo vi phân DGPS (Diferentital-GPS), ựo vi phân diện rộng WADGPS (Wide-Area-Diferentital-GPS)

Hình 1.4 Các thành phần chắnh của GPS

1.2.2.3 Nguyên lý ựịnh vị GPS [19]

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái ựất hai lần trong một ngày theo một quỹ ựạo rất chắnh xác và phát tắn hiệu có thông tin xuống trái ựất Các máy thu GPS

Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ẦẦẦ 21

nhận thông tin này và bằng phép tắnh lượng giác tắnh ựược chắnh xác vị trắ của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tắn hiệu ựược phát ựi từ vệ tinh với thời gian nhận ựược chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu ở cách vệ tinh bao xa Với nhiều khoảng cách ựo ựược tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tắnh ựược vị trắ của người dùng và hiển thị lên bản ựồ ựịên tử của máy Máy thu phải nhận ựược tắn hiệu của ắt nhất 3 vệ tinh ựể tắnh ra vị trắ hai chiều (kinh ựộ và vĩ ựộ)

và ựể theo dõi ựược chuyển ựộng Khi nhận ựược tắn hiệu của ắt nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tắnh ựược vị trắ 3 chiều (kinh ựộ, vĩ ựộ và ựộ cao) Một khi vị trắ người dùng ựã tắnh ựược thì máy thu GPS có thể tắnh các thông tin khác, như tốc ựộ, hướng chuyển ựộng, khoảng hành trình, khoảng cách tới ựiểm ựến, thời gian mặt trời mọc, lặnẦ

Vậy tuỳ thuộc vào từng mục ựắch sử dụng mà chúng ta chia ra thành các phương pháp ựịnh vị khác nhau:

- định vị tuyệt ựối

- định vị tương ựối

a định vị tuyệt ựối

* Nguyên lý ựịnh vị tuyệt ựối

đo GPS tuyệt ựối là trường hợp sử dụng máy thu GPS ựể xác ựịnh ra ngay toạ ựộ của ựiểm quan sát trong hệ toạ ựộ WGS- 84 đó có thể là các thành phần toạ

ựộ vuông góc (X, Y, Z) hoặc các toạ ựộ mặt cầu (B, L, H)

Việc ựo GPS tuyệt ựối ựược thực hiện trên cơ sở sử dụng ựại lượng ựo là khoảng cách giả từ vệ tinh ựến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các ựiểm ựã biết là các vệ tinh

Nếu biết chắnh xác khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu code tựa ngẫu nhiên

từ vệ tinh ựến máy thu, ta sẽ tắnh ựược khoảng cách chắnh xác giữa vệ tinh và máy thu Khi ựó 3 khoảng cách ựược xác ựịnh ựồng thời từ 3 vệ tinh ựến máy thu sẽ cho

ta vị trắ không gian ựơn trị của máy thu Song trên thực tế cả ựồng hồ vệ tinh và ựồng hồ máy thu ựều có sai số, nên khoảng cách ựo ựược không phải là khoảng cách chắnh xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ựiểm, nghĩa là không

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 22

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 một vệ tinh thứ tư ñến máy thu Như vậy chúng ta sẽ thành lập ñược một hệ gồm 4 phương trình dạng:

(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

Hình 1.5 Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối

Tại một trạm máy, công tác quan trắc ñược tiến hành ñồng thời nên thành phần ∆t chỉ còn là ảnh hưởng của sai số ñồng hồ máy thu Do ñó bằng cách ño khoảng cách giả ñồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác ñịnh ñược 4 ẩn số (X, Y, Z) là các thành phần toạ ñộ của máy thu (ñiểm xét) theo toạ ñộ WGS-84 và sai số ñồng hồ máy thu ∆t

Vậy là, bằng cách ño khoảng cách giả ñồng thời tờ 4 vệ tinh ñến máy thu ta có thể xác ñịnh ñược toạ ñộ tuyệt ñối của máy thu, ngoài ra còn xác ñịnh thêm ñược số hiệu chỉnh do ñồng hồ thạch anh của máy thu nữa Quan sát ñồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết ñể xác ñịnh tọa ñộ không gian tuyệt ñối của ñiểm quan sát

(1.1)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 23

* ðo vi phân

Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu ñịnh vị với ñộ chính xác từ cỡ ñềximet ñến vài chục mét Nhưng với chế ñộ can thiệp SA (Selective Availability) thì hệ thống GPS chỉ cho ñộ chính xác ñịnh vị hạn chế cỡ 100m ðể tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS ñã ñưa ra một phương pháp ño ñược gọi là ño GPS vi phân

Theo phương pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu

vô tuyến ñược ñặt tại ñiểm có toạ ñộ ñã biết (gọi là máy cố ñịnh), ñồng thời có máy khác (gọi là máy di ñộng) ñặt ở vị trí cần xác ñịnh toạ ñộ, ñó có thể là ñiểm cố ñịnh hoặc ñiểm di ñộng Cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cần tiến hành ñồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu, thì kết quả xác ñịnh toạ ñộ của cả máy cố ñịnh và máy di ñộng cũng ñều bị sai lệch ðộ sai lệch này ñược xác ñịnh trên cơ sở so sánh toạ ñộ tính ra theo tín hiệu thu ñược và toạ ñộ biết trước của máy cố ñịnh và ñược 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 và hiệu chỉnh cho kết quả xác ñịnh toạ ñộ của mình

Ngoài cách hiệu chỉnh cho toạ ñộ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai này ñòi hỏi máy thu cố ñịnh có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ ñộng linh hoạt hơn

Phương pháp ño GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại ñiểm di ñộng:

- Phương pháp xử lý ñồng thời (Real time)

- Phương pháp hậu xử lý (Post-procesing)

ðể ñảm bảo ñộ chính xác, các máy di ñộng không nên ñặt quá xa máy cố ñịnh,

ñể ñảm bảo giá trị nhiễu là như nhau ðồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải xác ñịnh và chuyển phát nhanh với tần số cao ðộ chính xác của phương pháp này ñạt tới mét, thậm chí vài ñềximet

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 24

b ðịnh vị tương ñối

Hình 1.6 Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối

* Nguyên lý của ñịnh vị tương ñối

ðịnh vị 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 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 rất cao 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 pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh j ñược ño tại trạm quan sát r vào thời ñiểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một ñược biểu diễn như sau:

∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.2)

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:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 25

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.3)

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(ti)= ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.4)

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

Tại mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4 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

* ðo tĩnh

Phương pháp ño tĩnh ñược sử dụng ñể xác ñịnh hiệu toạ ñộ (vị trí tương hỗ) giữa hai ñiểm xét với ñộ chính xác cao, thường là nhằm ñáp ứng các yêu cầu của công tác trắc ñịa- ñịa hình Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy ñặt

ở ñiểm ñã biết toạ ñộ, còn máy kia ñặt ở ñiểm cần xác ñịnh toạ ñộ Cả hai máy phải ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ 60 phút ñến vài ba tiếng ñồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 4 Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là ñủ ñể cho

ñồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi mà 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 cho kết quả giám sát

Trong ño tĩnh cần chú ý ñến công tác bố trí các ca ño Khoảng thời gian quan trắc của các máy thu ñược gọi là ñộ dài ca ño Khoảng quan trắc ñầu tiên trong ngày ñược ký hiệu là DDD0 và tiếp theo là DDD1 Số hiệu ngày DDD ñược ký hiệu từ 001 ñến 365 ngày (ngày Julian) Ví dụ: ca ño 2002 chỉ ca ño thứ 2 trong ngày thứ 200

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 26

Khi quyết ñịnh ñộ dài thời gian quan trắc trong các ca ño cần căn cứ vào:

- ðộ chính xác của lưới cần thành lập

- ðộ dài cạnh ño

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- ðộ ổn ñịnh của tín hiệu vệ tinh ño ñược

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn ñối với cạnh có chiều dài ngắn hơn Bảng sau ñây kiến nghị khoảng thời gian ño hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với ñiều kiện khí tượng bình thường

Bảng 1.4 Toạ ñộ và ñộ cao các ñiểm gốc Chiều dài cạnh (km) ðộ dài ca ño (phút)

0-1 1-5 5-10 10-20

10-30 30-60 60-90 90-120 Thời gian phải kéo dài tới mức nhất ñịnh ñể có thể xác ñịnh ñược số nguyên

ña trị ðối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1km), số nguyên ña trị có thể ñược giải ra trong khoảng thời gian 5 - 10 phút khi sử dụng pha của tần số L1 Bằng máy thu 2 tần số, khi sử dụng kỹ thuật cổng rộng (Wide lane), ở khoảng cách ño là 15 km có thể nhận ñược kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu ño

ðây là phương pháp cho phép ñạt ñộ chính xác cao nhất trọng việc ñịnh vị tương ñối bằng GPS có thể cỡ cm, thậm chí mm ở khoảng cách giữa hai ñiểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Nhược ñiểm chủ yếu của phương pháp là thời gian ño phải kéo dài hàng giờ ñồng hồ, do vậy năng xuất thường không cao

* ðo ñộng (Kinematic)

Phương pháp ño ñộng cho phép xác ñịnh vị trí tương ñối của hàng loạt ñiểm so

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 27

với ñiểm ñã biết, trong ñó tại mỗi ñiểm ño chỉ cần thu tín hiệu trong một vài phút Theo phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu ðể xác ñịnh số nguyên ña trị của tín hiệu

vệ tinh cần phải có một cạnh ñáy ñã biết gối lên hai ñiểm ñã biết toạ 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 ño tiếp cho cả chu kỳ ño Nhờ vậy thời gian thu tín hiệu thời ñiểm ño không phải là một tiếng ñồng hồ trong ño tĩnh nữa mà chỉ cần một vài phút trong phương pháp ño này

Với cạnh ñáy ñã biết, ta ñặt một máy thu cố ñịnh ở ñiểm ñầu cạnh ñáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ ño, máy này gọi là máy cố ñịnh Ở ñiểm cuối cạnh ñáy ta ñặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín hiệu ñồng thời với máy cố ñịnh trong vòng 1 phút Việc làm này gọi là khởi ño (Innitialization), máy thứ hai này ñược gọi là máy di ñộng Tiếp ñó cho máy di ñộng lần lượt chuyển ñến các ñiểm ño cần xác ñịnh, tại mỗi ñiểm cần dừng lại thu tín hiệu trong một phút, cuối cùng quay về ñiểm xuất phát là ñiểm cuối cạnh ñáy ñể khép tuyến ño bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài một phút tại ñiểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp ño ñộng là cả máy cố ñịnh và máy di ñộng phải ñồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu

kỳ ño Vì vậy khu ño phải bố trí ở khu vực thoáng ñãng không ñể xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián ñoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hành khởi ño lại cạnh ñáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh ñáy khác ñược thiết lập dự phòng trên tuyến ño

Phương pháp ño ñộng cho ñộ chính xác không thua kém so với phương pháp

ño tĩnh Song nó lại ñòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổ chức ño ñể ñảm bảo yêu cầu về ñồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh

1.2.2.4 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 code) và ño pha của sóng tải (L1, L2)

P-Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 28

* 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 1.7 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm

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:

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

t c z z y

y x

x t

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu ñược

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 29

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;

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

N: còn ñược gọi là số nguyên ña trị, thường không biết trước mà cần phải

xác ñịnh trong thời gian ño

Trong trường hợp ño pha theo sóng tải L1 có thể xác ñịnh khoảng cách giữa

vệ tinh và máy thu với ñộ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2 cho ñộ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ñáng kể tầng ñiện ly và việc xác ñịnh số nguyên ña trị ñược ñơn giản hơn

(Hình 1.8)

)(

2

t c N

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 30

Hình 1.8 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

1.2.2.5 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [19]

* Sai số ñồng hồ

Sai số ñồng hồ gồm cả sai số ñồng hồ vệ tinh, sai số ñồng hồ máy thu và sự không ñồng bộ giữa chúng ðồng hồ vệ tinh là ñồng hồ có ñộ chính xác cao nhưng không phải vì thế mà hoàn toàn không có sai số Trong ñó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên, nhưng nhờ mô hình cải chính ñược sai số hệ thống, do ñó sai số ngẫu nhiên trở thành một tiêu chí quan trọng ñể ñánh giá ñộ chính xác của ñồng hồ Khi hai trạm ño tiến hành quan trắc ñồng bộ với vệ tinh thì sai số ñồng hồ ảnh hưởng như nhau tới trị ño tại hai trạm

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 30km, nếu ñồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 30m

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