Xây dựng lưới địa chính bằng công nghệ GIS huyện đông triều, tỉnh quảng ninh

DANH MỤC CÁC TỪ 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 xá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

NGUYỄN TRỌNG THUỶ

XÂY DỰNG LƯỚI ðỊA CHÍNH BẰNG CÔNG NGHỆ GPS HUYỆN ðÔNG TRIỀU - TỈNH QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Quản lý ñất ñai

Mã số : 606216 Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Minh Tá

HÀ NỘI - 2012

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 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Thuỷ

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 hiện có hạn, 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 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Thuỷ

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

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

2.2.2 Khái quát chung về hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS) 14

3 ðỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36

4.1 điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu, số liệu 36

4.1.1 Khái quát ựặc ựiểm, tình hình chung của huyện đông Triều 36

4.1.2 Thu thập các loại tư liệu, tài liệu trắc ựịa và bản ựồ 39

4.2.4 Xây dựng lưới ựịa chắnh bằng công nghệ GPS huyện đông Triều 47

4.2.5 Kết quả tắnh toán và ựánh giá ựộ chắnh xác 75

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS [3] 71

4.7 So sánh số liệu ñạt ñược với quy phạm ban hành 77

4.8 So sánh kết quả ño ñược với kết quả ño kiểm tra 78

4.12 Cửa sổ Verify Station for Static Occupation 1 65

DANH MỤC CÁC TỪ 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 theo 3D

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

ðộ mất 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

1 MỞ ðẦU

1.1 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 ựầu, hệ thống này ựược dùng cho mục ựắch quân sự nhưng sau ựó ựã ựược thương mại hóa, ựược ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt ựộng kinh tế, xã hội Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của ựời sống xã hội

ựã và ựang áp dụng công nghệ GPS Trong trắc ựịa cũng vậy, công nghệ GPS

ựã mở ra thời kỳ mới, ựã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập

và xây dựng mạng lưới tọa ựộ các cấp Với ngành trắc ựịa bản ựồ thì ựây 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 ựịnh vị toàn cầu GPS ựã ựược công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc ựịa bản ựồ bởi các tắnh ưu việt sau: Có thể xác ựịnh tọa ựộ của các ựiểm từ ựiểm gốc khác mà không cần thông hướng; ựộ chắnh xác ựo ựạc ắt phụ thuộc vào ựiều kiện thời tiết (có thể

ựo trong mọi ựiều kiện thời tiết); việc ựo ựạc tọa ựộ các ựiểm rất nhanh chóng, tắnh chắnh xác cao, ở vị trắ bất kỳ trên trái ựất; kết quả ựo ựạc có thể tắnh trong

hệ tọa ựộ toàn cầu hoặc hệ tọa ựộ ựịa phương bất kỳ

Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chắnh xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và ựược sử dụng rộng rãi Người ta ựã sử dụng công nghệ GPS ựể xây dựng lưới tọa ựộ nhà nước thay thế cho các phương pháp truyền thống, ựạt ựược ựộ chắnh xác cao

Huyện đông Triều tỉnh Quảng Ninh những năm qua có tốc ựộ phát triển kinh tế tương ựối nhanh, kéo theo nhu cầu sử dụng ựất ngày càng tăng Chắnh vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ựất ựai của huyện là phải thành lập ựược bản ựồ ựịa chắnh (BđđC) có ựộ chắnh xác cao Muốn có ựược ựiều

ựó cần phải xây dựng hệ thống lưới ựịa chắnh trên ựịa bàn huyện

để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần ựưa công nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới ựịa chắnh tỉnh Quảng Ninh,

chúng tôi tiến hành nghiên cứu ựề tài: ỘXây dựng lưới ựịa chắnh bằng công

nghệ GPS huyện đông Triều - tỉnh Quảng NinhỢ

1.2 Mục ựắch ựề tài

Thông qua việc nghiên cứu tại huyện đông Triều nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào xây dựng lưới ựịa chắnh trên phạm vi toàn tỉnh Quảng Ninh

1.3 Yêu cầu ựề tài

Thiết kế, thi công lưới ựịa chắnh trên ựịa bàn khu ựo thuộc huyện đông Triều tỉnh Quảng Ninh Phân tắch, ựánh giá ựộ chắnh xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới ựịa chắnh trên phạm vị toàn tỉnh Quảng Ninh

1.4 Tắnh khoa học và thực tiễn ựề tài

Dựa trên công nghệ GPS ựể xây dựng hệ thống lưới ựịa chắnh thay thế cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần ựưa công nghệ mới vào sản xuất nhằm nâng cao ựộ chắnh xác lưới, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất

2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

2.1 Lưới khống chế mặt bằng

2.1.1 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

Do 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

Lưới toạ ñộ Nhà nước Việt Nam hiện nay ñược xây dựng gồm 3 cấp ñó là: Lưới hạng I, hạng II và lưới ñịa chính cơ sở

Ngày nay, với sự tiền bộ của khoa học kỹ thuật hiện ñại, lưới ñịa chính

cơ sở ñược ño bằng công nghệ GPS với ñộ chính xác cao Xây dựng lưới ñịa chính cơ sở cần tuân thủ một số nguyên tắc sau:

ðảm bảo ñủ mật ñộ ñiểm ñịa chính cơ sở cần thiết ñể phát triển lưới ñịa chính

Lưới phải ñược ño nối với các ñiểm toạ ñộ Nhà nước hạng I, hạng II ít nhất 03 ñiểm Các ñiểm hạng cao phải phân bố ñều trên mạng lưới

Lưới có thể thiết kế dạng ñường chuyền, chuỗi tam giác hoặc mạng lưới tam giác dày ñặc Các ñiểm của mạng lưới tốt nhất là chọn từng cặp thông hướng với nhau ñể thuận tiện cho việc ño nối sau này Các ñiểm ñịa chính cơ sở phải ñảm bảo góc nhìn bầu trời tại ñiểm quan sát không bị che khuất là 1500 và cách xa các ñài phát sóng từ 500m trở lên ñể tránh bị nhiễu Các ñiểm cũ của lưới hạng III Nhà nước có trong khu ño ñược dùng vào mạng lưới và ño như các ñiểm mới

Mốc toạ ñộ ñịa chính cơ sở là loại mốc bê tông chôn sâu dưới ñất và ñược xây dựng theo tiêu chuẩn ñược Nhà nước quy ñịnh

2.1.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng

2.1.2.1 Lưới tam giác ño góc

Phương pháp này ñược ứng dụng vào ñầu thế kỷ XX khi chưa phát triển máy ño cạnh có ñộ chính xác cao

ðồ hình cơ bản là lưới tam giác dày ñặc, khoá tam giác, tứ giác trắc ñịa (tứ giác có hai ñường chéo - hình thoi) và ña giác trung tâm

Trong lưới tam giác ựo góc, người ta ựo tất cả các góc trong lưới nên có ựiều kiện kiểm tra độ chắnh xác các yếu tố trong lưới (cạnh, phương vị, vị trắ ựiểm) ựạt khá cao và ựồng ựều Hạn chế của lưới tam giác là:

- 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

2.1.2.2 Lưới ựa giác (lưới ựường chuyền)

Khái niệm: đường chuyền là một dạng cơ bản của lưới khống chế mặt bằng Trên khu ựo bố trắ các ựiểm nối với nhau tạo thành ựường gãy khúc, trong trắc ựịa người ta gọi ựó là "đường chuyền", "đường ựa giác, "đường sườn" đo tất cả các cạnh và góc ngoặt của ựường chuyền ta sẽ xác ựịnh ựược

vị trắ tương hỗ giữa các ựiểm Nếu biết tọa ựộ của một ựiểm và góc phương vị của một cạnh ta dễ dàng tắnh ra góc phương vị và các tọa ựộ của các ựiểm khác trên ựường chuyền

Phương pháp ựường chuyền chỉ thắch ứng ở những khu vực mà ở ựó nếu áp dụng phương pháp tam giác thì phải dựng hàng loạt tiêu cao

Lưới ựường chuyền chọn ựiểm linh hoạt hơn nhưng ựiều kiện ràng buộc ắt hơn nên ựộ chắnh xác các yếu tố của lưới kém lưới ựo góc Từ những năm 1960 trở lại ựây phương tiện ựo cạnh có nhiều cải tiến, ựặc biệt từ khi có các máy toàn ựạc ựiện tử (Total station) vừa ựo góc vừa ựo cạnh có ựộ chắnh xác cao nên phương pháp ựa giác ựược dùng khá phổ biến

đồ hình cơ bản của ựường chuyền có thể chia thành 3 dạng chắnh cơ bản là Ộựường chuyền phù hợpỢ, Ộlưới ựường chuyềnỢ và Ộựường chuyền khép kắnỢ

đối với khu vực ựo kéo dài, hai ựầu có các ựiểm khống chế cấp cao thì dùng dạng ựường chuyền phù hợp

Những yêu cầu kỹ thuật cơ bản của ựường chuyền

đường chuyền hạng I xây dựng theo các vòng khép kắn

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

2.1.2.3 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 nhiều 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 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

Trong thực tế, nhiều lưới trắc ñịa mặt bằng lớn 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 của cả hai dạng lưới cơ bản

2.1.2.4 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 (chúng ta nghiên cứu kỹ hơn về công nghệ GPS ở phần sau)

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

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 chỉ ñạt khoảng 1m 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

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 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:

Bảng 2.1 Chỉ tiêu cho các dạng lưới

ðộ chính xác Sai số cơ

bản a

Sai số phụ thuộc chiều

dài cạnh Phân loại lưới Cấp

cm ppm 1/T Nghiên cứu ñịa ñộng lực

khu vực và toàn cầu

AA 0.3 0.01 1:100000000

Hệ quy chiếu toạ ñộ quốc

gia, lưới cấp hai

3

1.0 2.0 3.0 5.0

10 1:100000

20 1:50000

50 1:20000

100 1:10000 Trong quy trình kỹ thuật ño GPS ở khu vực thành phố của Trung Quốc (1997) ñã ñưa ra một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS như sau:

Bảng 2.2 Một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS

Cấp hạng Chiều dài

cạnh (km) a (mm) b (10

-6) Sai số trung phương tương ñối cạnh yếu

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

Bảng 2.3 Một số yêu cầu trong ño lưới GPS

tín 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 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)

2.2.1.2 Tại Việt Nam

Năm 1990, 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 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 lới 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

Hiện nay 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 08/2008/Qð-BTNMT ngày 10 tháng 11 năm 2008 của Bộ Tài ngyên và Môi trường

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

2.2.2.1 Khái niệm về GPS [2]

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

2.2.2.2 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 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

Hình 2.1 Chuyển ñộng của vệ tinh trên quỹ ñạo

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

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

Hình 2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

• ðoạn ñiều khiển

Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein, có chức năng như sau:

- Cả 5 trạm ñều theo dõi vệ tinh, trong ñó có 4 trạm giám sát có nhiệm

vụ truyền dữ liệu ñến trạm ñiều khiển chính

- Trạm ñặt tại Colorado Springs là trạm ñiều khiển chính (MSC) Tại ñó dữ liệu theo dõi ñược xử lý nhằm tính tọa ñộ và số hiệu chỉnh ñồng hồ vệ tinh

- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh Dữ liệu bao gồm các bảng lịch và thông tin số hiệu chỉnh ñồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải

Hình 2.3 Các trạm ñiều khiển GPS

Ớ đoạn sử dụng

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 Area-Diferentital-GPS)

(Wide-Hình 2.4 Các thành phần chắnh của GPS

2.2.2.3 Nguyên lý ựịnh vị GPS [2]

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 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

2.2.2.3.1 định vị tuyệt ựối

a 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

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 kắc 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 ðể thấy rõ ñiều này ta viết thêm một

Hình 2.5 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

(2.1)

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

2.2.2.3.2 ðịnh vị tương ñối

Hình 2.6 Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối

a 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:

(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (2.2)

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:

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (2.3)

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) (2.4)

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

b 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 1052 chỉ ca ño thứ 3 trong ngày thứ 105

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

- 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 2.4 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

c ðo ñộng (Kinematic)

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

2.2.2.4 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 P-code) và ño pha của sóng tải (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 2.7 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm

Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là xs, ys, zs; 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;

∆ 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

t c z z y

y x

x t

t

c

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

) (

2

t c N

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 2.8 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

2.2.2.5 Các nguồn sai số trong ñịnh vị GPS [2]

* 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

* 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

* 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

* 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

* 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

2.2.2.6 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

- Người sử dụng không cần quan tâm ñến việc vận hành hệ thống

2.2.2.7 Tọa ñộ và hệ qui chiếu trong GPS

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 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 ñịa phương Tọa ñộ không gian ñịa phương (3 chiều) còn ở dạng ñược gọi là hệ thống "2+1" Nghĩa là tọa ñộ trắc ñịa B và L xác ñịnh ñộc lập với ñộ cao h

Do ñó bài toán tính chuyển tọa ñộ GPS B, L, H về hệ tọa ñộ ñịa phương yêu cầu một dạng tính chuyển tọa ñộ, trong khi ñó ñộ cao lại ñòi hỏi dạng tính chuyển hoàn toàn khác

Việc tính 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