Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng trường đại học nông lâm thái nguyên

Như vậy các tham số quỹ đạo của vệ tinh được xác định trong hệ tọa độ sao và được sử dụng để tính toán ra tọa độ của vệ tinh trong hệ WGS – 84 vào thời điểm quan sát.. Trong công nghệ GP

LÊ QUANG TUẤN

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP

LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC

NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành : Địa chính môi trường

Thái Nguyên, năm 2015

LÊ QUANG TUẤN

Tên đề tài:

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS TRONG CÔNG TÁC THÀNH LẬP

LƯỚI KHỐNG CHẾ CƠ SỞ MẶT BẰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC

NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành : Địa chính môi trường

Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Ngọc Anh

Thái Nguyên, năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Thực tập tốt nghiệp là một giai đoạn cần thiết và hết sức quan trọng của mỗi sinh viên, đó là thời gian để sinh viên tiếp cận với thực tế, nhằm củng cố và vận dụng những kiến thức mà mình đã học được trong nhà trường Để qua đó sinh viên khi ra trường sẽ hoàn thiện về kiến thức, phương pháp làm việc cũng như năng lực công tác, nhằm đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn công việc

Được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên em đã

tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên”

Hoàn thành được đề tài này, trước hết em xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, cùng các thầy cô giáo trong trường đã luôn quan tâm, dạy bảo, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, quý báu cho em trong suốt bốn năm học vừa qua Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

giáo Th.S Nguyễn Ngọc Anh đã nhiệt tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em Sự

tạo điều kiện của Bộ môn GIS Và Viễn thám Khoa Quản lý Tài Nguyên cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp theo đúng nội dung hướng dẫn và thời gian quy định của nhà trường

Mặc dù bản thân có nhiều cố gắng, song do điều kiện thời gian và năng lực còn nhiều hạn chế nên khóa luận tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để bài khóa luận của em được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cám ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2015

Sinh viên

LÊ QUANG TUẤN

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ

Bảng 2.1 So sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định

khoảng cách 15 Bảng 2.2 Sau đây kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp

quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình thường 21 Bảng 2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo từ vệ tinh

tới máy thu 28 Bảng 2.4 Ảnh hưởng tầng đối lưu tới khoảng cách 30 Bảng 2.5 Các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục được tổng hợp trong

bảng dưới đây 33 Bảng 2.6 Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập 36 Bảng 4.1 Hệ thống các điểm trắc địa hạng cao đã có trong khu vực trường 45

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

Sơ đồ 2.1 Quy trình xây dựng lưới đo vệ tinh 35

Sơ đồ 4.1 Quy trình thành lập lưới khống chế bằng công nghệ GPS 44

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Hình ảnh vệ tinh nhân tạo 4

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống định vị GPS 7

Hình 2.3 Các loại vệ tinh 7

Hình 2.4 Các trạm theo dõi của hệ thống GPS 9

Hình 2.5 Máy thu của hãng Trimble 11

Hình 2.6 Đo khoảng cách giả theo code 13

Hình 2.7 Định vị tuyệt đối 16

Hình 2.8 Định vị tương đối 18

Hình 2.9 Mô hình sai phân bậc 1 19

Hình 2.10 Mô hình sai phân bậc 2 19

Hình 2.11 Mô hình sai phân bậc 3 20

Hình 4.1 Lập lịch đo GPS khu vực trường Đại học Nông lâm 47

Hình 4.2 Kết quả trút dữ liệu bằng phần mềm Trimble Data Transfer 48

Hình 4.3 Tạo Ellipsoid quy chiếu cho hệ VN2000 và xây dựng múi chiếu 49

Hình 4.4 Kết quả tạo Project cho khu đo trường ĐH Nông lâm 49

Hình 4.5 Kết quả Import dữ liệu thô vào phần mềm TBC V2.7 50

Hình 4.6 Sơ đồ mạng lưới các điểm đo 50

Hình 4.7 Kết quả xử lý cạnh 51

Hình 4.8 Kết quả xử lý cạnh 51

Hình 4.9 Kết quả thiết lập hệ tọa độ VN-2000 52

Hình 4.10 Kết quả nhập tọa độ cho các điểm gốc 53

Hình 4.11 Quá trình bình sai lưới khống chế 53

Hình 4.12 Đồ hình lưới khống chế đo vẽ 54

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 3

1.3 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI 3

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học 3

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ GPS - Navigation Satellite Timing And Ranging Globol positioning Sytem (Navstar GPS ) 4

2.1.1 Đoạn không gian (space Segment) 7

2.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment) 9

2.1.3 Đoạn sử dụng (User segment) 10

2.1.4 Các hệ tọa độ được sử dụng trong công nghệ GPS 11

2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS 13

2.2.1 Đo khoảng cách giả theo C/A – code và P – code 13

2.2.2 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải 15

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS 16

2.3.1 Đo GPS tuyệt đối (Absolute Positioning) 16

2.3.2 Đo GPS tương đối (Relative Positioning) 18

2.3.3 Đo GPS vi phân DGPS (Differential – GPS) 24

2.4 CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG ĐO GPS 26

2.4.1 Sai số đồng hồ (Clock Error) 26

2.4.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh 27

2.4.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu 27

2.4.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) 30

2.4.5 Sai số do phản xạ đa đường dẫn (Multipath) 31

2.4.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình vệ tinh 31

2.4.7 Sai số tâm pha của anten 32

2.4.8 Các sai số do người đo 32

2.5 THIẾT KẾ LƯỚI KHỐNG CHẾ THEO CÔNG NGHỆ GPS 34 2.5.1 Đặc điểm chung 34

2.5.2 Trình tự các bước xây dựng lưới đo vệ tinh 34

2.5.3 Yêu cầu kĩ thuật lưới GPS 36

2.5.4 Thiết kế đồ hình lưới và phương thức liên kết lưới 37

2.6.NHỮNG NỘI DUNG CẦN CHÚ Ý TRONG THỰC TẾ THIẾT KẾ LƯỚI 37

PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39 3.1 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 39

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 39

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 39

3.2 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN TIẾN HÀNH 39

3.2.1 Địa điểm nghiên cứu 39

3.2.2 Thời gian tiến hành 39

3.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 39

3.3.1 Điều tra cơ bản 39

3.3.2 Thành lập lưới khống chế bằng công nghệ GPS 39

3.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40

3.4.1 Phương pháp thu thập và nghiên cứu tài liệu 40

3.4.2 Phương pháp khảo sát thực địa 40

3.4.3 Phương pháp bản đồ 40

3.4.4 Phương pháp đo GPS tĩnh 40

3.4.5 Phương pháp sử dụng phần mềm 40

PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 41

4.1 ĐIỀU TRA CƠ BẢN 41

4.1.1 Giới thiệu chung 41

4.1.2 Điều kiện tự nhiên 41

4.1.3 Điều kiện kinh tế, xã hội 42

4.1.4 Tình hình quản lý sử dụng đất đai 44

4.2 THÀNH LẬP LƯỚI KHỐNG CHẾ MẶT BẰNG 44

4.2.1 Thu thập tài liệu 45

4.2.2 Khảo sát khu đo, thiết kế sơ bộ lưới 46

4.2.3 Chọn điểm và chôn mốc ngoài thực địa 46

4.2.4 Lập lịch và đo đạc ngoài thực địa 47

4.2.5 Trút số liệu từ máy thu sang máy tính 48

4.2.6 Xử lý và bình sai số liệu đo GPS bằng TBC V2.7 48

4.2.7 Biên tập hệ thống bảng, biểu theo quy định 54

PHẦN 5 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

5.1 KẾT LUẬN 55

5.2 KIẾN NGHỊ 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHẦN 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, là địa bàn phân bố của con người,

là nơi phát triển xây dựng các cơ sở kinh tế - văn hóa – xã hội Đặc biệt đất là tài liệu không gì thay thế được trong sản xuất nông – lâm – ngư nghiệp Hầu hết các nước trên thế giới đều xây dựng một nền kinh tế trên cơ sở phát triển nông lâm nghiệp dựa vào khai thác tiềm năng đất đai, lấy đó làm cơ sở cho sự phát triển các ngành khác Do đó, việc tổ chức sử dụng nguồn tài nguyên đất

đai hợp lý đầy đủ và đem lại hiệu quả cao theo quan điểm sinh thái và phát

triển bền vững trở thành vấn đề cấp thiết

Vấn đề đặt ra khi sử dụng tài nguyên thiên nhiên của lãnh thổ chúng ta cần có cái nhìn tổng quan từ các hợp phần trong tự nhiên Để từ đó có giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý

Trong những năm trước đây để ghi nhận, mô tả và quản lý tài nguyên thiên thiên, sự phân bổ đô thị, phân bổ dân cư, phân bổ sản xuất người ta

sử dụng hệ thống bản đồ địa lý, bản đồ chuyên đề, bản đồ giải thửa được

vẽ trên giấy cùng các bảng biểu thống kê được đo vẽ thủ công bằng tay Các bản đồ này mức độ sử dụng còn hạn chế do độ chính xác không cao, nội dung không phong phú, khó khăn cho việc lưu trữ, nhân bản, bảo quản, cập nhật và chỉnh sửa

Trong giai đoạn hiện nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học

kỹ thuật, tin học điện tử viễn thông, ngành địa chính đang phải đối mặt với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ Những khái niệm mới, hệ thống mới, kỹ thuật mới xuất hiện, đã được ngành địa chính ứng dụng có hiệu quả vào công tác quản lý đất đai, và thành lập bản đồ địa chính dạng số

Song song với mỗi giai đoạn phát triển của xã hội loài người, và các ngành khoa học nói chung và ngành trắc địa nói riêng cũng có những bước phát triển rõ rệt Ngày nay, những thành tựu to lớn của nhiều ngành như toán học, địa lý học, kỹ thuật điện, tin học đã được ứng dụng vào ngành trắc địa bản đồ Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống dẫn đường và định vị chính xác dựa trên các vệ tinh NAVSTAR được bộ quốc phòng MỸ thiết kế, triển khai từ năm 1973 và sử dụng rộng rãi tới ngày nay

Ngày nay, Công nghệ GPS chiếm vai trò chủ đạo trong các lĩnh vực dân

sự và đã thay thế được công nghệ truyền thống trong việc xây dựng lưới tọa

độ, đồng thời mở ra nhiều các lĩnh vực khác nhau vì nó đạt được nhiều tính

ưu việt hơn hẳn các phương pháp cũ như độ chính xác cao, thời gian đo

nhanh, ít tốn kém và hầu hết thực hiện được trong mọi điều kiện thời tiết Công nghệ GPS đã mang lại nhiều hiệu quả khoa học như định vị được với độ chính xác tới milimet, khoảng cách đo được lên tới hàng nghìn km, có thể

định vị các đối tượng chuyển động tạo cơ sở khoa học mới cho xây dựng các

hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, quan trắc dịch chuyển lục địa, quan trắc biến động vỏ trái đất, dự báo động đất v.v Gần đây, công nghệ GPS ngày càng được sử dụng nhiều hơn để xây dựng lưới khống chế tọa độ, một yếu tố cực kỳ quan trọng không thể thiếu trong công tác thành lập bản đồ Mặt khác

để xây dựng lưới khống chế tọa độ thì có nhiều phương pháp như: phương

pháp tam giác đo góc, phương pháp đa giác, phương pháp tam giác đo cạnh

độ chính xác cao, phương pháp tam giác đo góc – cạnh Nhưng với tính ưu

việt của mình thì công nghệ GPS ngày càng được biết đến sử dụng rộng rãi và trở thành phương pháp chính

Từ thực tế ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng và những ưu điểm của kỹ thuật này so với các phương pháp truyền thống Được sự nhất trí của ban giám hiệu trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiện khoa Quản lí Tài nguyên em tiến hành thực

hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái nguyên”

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ

sở mặt bằng trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên

- Ứng dụng phần mềm TBC 2.0 (Trimble Business Center) trong xử lý tính toán số liệu đo GPS

- Xây dựng hệ thống tọa độ các điểm khống chế đo vẽ phục vụ cho việc thành lập bản đồ địa chính

1.3 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

- Lưới khống chế được thành lập phải tuân theo quy trình, quy phạm hiện hành của Bộ Tài nguyên & Môi trường

- Quy trình thực hiện đảm bảo tính khoa học và chính xác

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

- Đây là cơ hội cho sinh viên vận dụng những kiến thức đã học và những hiểu biết của mình vào thực tiễn, đồng thời cũng có cơ hội nâng cao sự hiểu biết về phát triển của ngành địa chính nói chung và ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng nói riêng

- Nâng cao kỹ năng sử dụng và kế thừa các thành tựu của khoa học và kĩ thuật vào thực tiễn

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Qua nghiên cứu, tìm hiểu và ứng dụng công nghệ GPS trong công tác thành lập lưới khống chế cơ sở mặt bằng giúp cho công tác quản lý Nhà nước

về đất đai được nhanh hơn đầy đủ hơn và chính xác hơn

- Phục vụ tốt cho việc đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ địa chính theo công nghệ số, hiện đại hóa hệ thống hồ sơ địa chính theo quy định của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Globol positioning Sytem (Navstar GPS)

Hệ thống định vị toàn cầu có tên đầy đủ là Navigation Satellite Timing And Ranging Globol positioning Sytem (Navstar GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu hỏa và trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ

và các cơ quan quân sự

Hình 2.1 Hình ảnh vệ tinh nhân tạo

Năm 1973 hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được thiết kế và có tên đầy

đủ là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging Globol

positioning Sytem) Đến ngày 22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa lên quỹ đạo, đến năm 1985 người ta

đưa lên quỹ đạo 11 vệ tinh hệ I (block I) mang tính chất thực nghiệm Hiện

nay hầu hết số vệ tinh thuộc hệ block I đã hết thời gian sử dụng Từ năm 1989

đến năm 1990 người ta đã đưa lên quỹ đạo 9 vệ tinh thuộc các thế hệ II (

block II) và các vệ tinh công tác Vệ tinh thế hệ block II khác với vệ tinh thế

hệ block I ở chỗ nó phát tín hiệu chứa nhiễu chủ động SA (Selective Availability) và A.S (Anti Spoofing) Từ những năm 1990 đến 1994 người ta

đưa lên quỹ đạo 15 vệ tinh thế hệ II A (chữ A có nghĩa là tiên tiến – Advance)

có khả năng liên hệ các vệ tinh Từ ngày 08 tháng 12 năm 1993, trên 6 quỹ

đạo của hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh triển khai trên 6 mặt phẳng quỹ đạo ở

độ cao khoảng 20.200km và nghiêng với mặt phẳng xích đạo trái đất một góc

55 độ, chu kì xấp xỉ 12 giờ Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kì

điểm nào trên mặt đất cũng quan sát được ít nhất là 4 vệ tinh Với hệ thống

GPS này, vấn đề thời gian, vị trí, tốc độ được giải quyết nhanh chóng, chính xác trên phạm vi toàn cầu trong bất kì thời điểm nào Từ những năm 1996 người ta đưa lên quỹ đạo các vệ tinh bổ sung thế hệ II R (chũ R có nghĩa là

Đổi mới – Replacement) được thiết kế để thay thế các vệ tinh thế hệ block II

Các vệ tinh thế hệ II R có khả năng đo khoảng cách giữa 3 vệ tinh lân cận Cho đến nay đã có 28 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo Người ta còn dự định từ nay đến năm 2010 sẽ đưa lên quỹ đạo các vệ tinh thế

hệ II F (block II F, có nghĩa là Tiếp tục – Follow On)

Trong những năm của thập kỉ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép sử dụng trong dân sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng vệ tinh chuyên dụng GPS Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ

đạo là chế tạo máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến thu tín

hiệu cho các mục đích khác nhau

Trong thời gian này Liên Xô xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Global Navigation Satellite System) nguyên lý hoạt động của hệ thống này tương tự hoạt động như hệ thống GPS, nhưng có những đặc thù riêng và nó không được thương mại hóa rộng rãi

Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã

đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường Vì lý do trên, giá máy đã giảm

xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập Một số hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS hàng đầu như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy Sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức)

Ở Việt Nam các ứng dụng của công nghệ GPS trong trắc địa mới chỉ bắt đầu từ những năm 1990, Song chúng ta đã khai thác có hiệu quả trong công

tác xây dựng và hoàn thiện mạng lưới thiên văn – Trắc địa quốc gia Xây dựng lưới Trắc địa biển, liên kết đất liền với các hải đảo xa đất liền Chỉ với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế như Tây Nguyên, Thượng nguồn sông Bé, Cà Mau Công nghệ GPS đã góp phần xây dựng cơ sở dữ liệu để hình thành hệ quy chiếu VN-2000 Bên cạnh đó chúng ta đã ứng dụng GPS để đo đạc một số mạng lưới nghiên cứu địa động trên các khu vực đứt gãy Sông Hồng, Điện Biên - Lai Châu và tham gia cùng các nước trong khu vực thực hiện đo đạc và nghiên cứu sự di chuyển vỏ trái đất thuộc vùng Đông Nam Á

Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM NAVSTAR viết tắt của chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING

Phần cứng này gồm 3 phần: Phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment)

Hình 2.3 Các loại vệ tinh

Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: “hoạt động khỏe“ (Healthy) và

“Hoạt động không khỏe“ (Unhealthy) Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái “Hoạt động khỏe“ và “Hoạt động không khỏe“

Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi được điều biến mang theo các code riêng biệt, đó là C/A code, P-code và Y-code

C/A-code (coarse/Acquisition code) là code thô cho phép dùng rộng rãi

C/A code mang tính chất 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 điều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của các trạm điều khiển trên mặt đất có thể chuyển sang cả L2.Chu kì của C/A code là 1 mili giây, trong đó chứa

1023 bite (1023 chíp) mỗi một vệ tinh phát đi C/A code khác nhau Nó chủ yếu được sử dụng cho mục đích dân sự với độ chính xác không cao, vì vậy chỉ dùng trong mục đích dân sự

P-code là code chính xác (Precision code) Ban đầu nó được sử dụng

cho các mục đích quân sự, đáp ứng yêu cầu chính xác cao và điều biến cả 2 sóng tải L1 và L2 Code này được tạo bởi nhiều chuỗi các chữ số 0 và 1, được sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên với tần số 10,23 MHZ; độ dài toàn phần của code là 267 ngày, nghĩa là chỉ sau 267 ngày P-code mới lặp lại Tuy vậy, người ta chia code này thành các đoạn có độ dài 7 ngày và gán cho mỗi vệ tinh 1 trong các đoạn code này và cứ sau mỗi tuần lại thay đổi Bằng cách này P-code rất khó bị giải mã để sử dụng nếu không được phép

Y- code là code bí mật, được phủ lên P-code gọi là kỹ thuật AS Spoofing) Chỉ có các vệ tinh thuộc khối II (sau năm 1989) mới có khả năng

(Anti-này Ngoài các tần số trên, các vệ tinh còn có thể trao đổi với các trạm điều kiển trên mặt đất qua các tần số 1783,74 MHZ Và 2227,5 MHZ để truyền các thông tin đạo hàng và các lệnh điều khiển tới vệ tinh

Người ta ước lượng độ chính xác định vị đạt cỡ 1% bước sóng của tín hiệu.Như vậy, ngày nay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt độ chính xác cỡ 3m Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp

độ chính xác định vị tuyệt đối Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA

(Selective-Availability) Do nhiễu SA, khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác 50 đến 100m Từ ngày 20-05-2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

2.1.2 Đoạn điều khiển (Control Segment)

Phần điều khiển gồm 9 trạm mặt đất, trong đó có 4 trạm mặt đất và có 5 trạm theo dõi (Monitor Station):Colorado Springs, Diego Garcia, Ascension,Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station-MCS) và 3 hiệu chỉnh số liệu (Upload Station)

Hình 2.4 Các trạm theo dõi của hệ thống GPS

Các trạm này theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được Các số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều kiển trung tâm MCS, tại đây việc tính toán số liệu chung được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ các

vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng

Như vậy, vai trò của đoạn điều kiển rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hóa các thông tin đạo hàng trong đó có lịch vệ tinh quảng bá, đảm bảo độ chính xác cho công tác

định vị bằng hệ thống GPS

2.1.3 Đoạn sử dụng (User segment)

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu GPS, máy hoạt động để thu tín hiệu

vệ tinh GPS phục vụ cho mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới Trong việc khai thác sử dụng công nghệ GPS, người ta có thể kết nối các thiết

bị thu tín hiệu GPS với một số thiết bị khác để thực hiện các kĩ thuật đo động thời gian thực (Real time Kinematic-RTK) Đo vi phân DGPS, đo vi phân diện rộng WADGPS (Wide-area-Differential GPS) Trong đó WADGPS còn

sử dụng vệ tinh viễn thông thương mại như là phương tiện trung gian để truyền số cải chính đo vi phân cho các trạm đo

Máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng nhờ các tiến

bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử viễn thông và kỹ thuật thông tin, tín hiệu

số, các máy thu GPS ngày càng hoàn thiện Ngành chế tạo máy thu GPS là ngành “ kỹ thuật cao” Các máy thu hiện nay có thể làm việc được với đầy đủ bằng các bước sóng tải L1 và L2 hoặc chỉ thu được tín hiệu tần L1 Có thể

định vị tuyệt đối khoảng cách giả C/A code và cả khoảng cách P(Y) code

hoặc theo pha sóng tải, một số hãng còn cho ra các máy thu có thể đồng thời thu tín hiệu vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS

Về nguyên tắc theo dõi vệ tinh và tín hiệu, người ta chế tạo ra các máy thu tín hiệu song song Do đó cấu hình nhiều kênh nên máy thu có thể đồng thời thu tín hiệu của nhiều vệ tinh Loại thứ hai là loại máy thu tuần tự thay

đổi nhanh Với loại máy thu này tuần tự ghi tín hiệu thay đổi liên tục sau

những khoảng thời gian rất ngắn Trên cơ sở hai nguyên tắc trên, người ta sản

xuất các máy thu kết hợp cả hai phương thức song song và tuần tự thay đổi nhanh Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu nhiều kênh Các loại máy thu này thường có từ 8 đến 12 kênh, mỗi kênh sẽ độc lập theo dõi và thu tín hiệu từ một vệ tinh

Người ta sản xuất ra nhiều máy thu GPS với những mục đích sử dụng khác nhau Có loại phục vụ mục đích đạo hàng, có loại phục vụ cho mục đích trắc địa, cũng có loại nhỏ phục vụ cho mục đích du lịch… Trên thế giới đã có nhiều hang chế tạo máy thu như hãng Trimble Navigation, Sokkia, Leica…

Hình 2.5 Máy thu của hãng Trimble

Kèm theo các loại máy thu phục vụ công tác trắc địa là các phần mềm xử lý

số liệu đo Những phần mềm này hoàn thiện về chức năng cũng như: công nghệ

xử lý thông tin nhằm giải quyết bài toán định vị một cách nhanh chóng và chính xác Một số phần mềm xử lý số liệu đã và đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay như: Trimble, Trimnet Plus, Gpsurvey, TBC

2.1.4 Các hệ tọa độ được sử dụng trong công nghệ GPS

Người sử dụng có thể nhận được tọa độ của điểm mặt đất bất kì trong hệ tọa độ WGS – 84 khi sử dụng công nghệ GPS Hệ tọa độ WGS – 84 là hệ tọa

độ địa tâm mặt đất Điều đó có nghĩa là các yếu tố để định vị hệ tọa độ này

(Kinh tuyến đi qua đài thiên văn Greenwich, cực quả đất, tâm vật chất quả

đất) đều thuộc về quả đất

Do đó hệ tọa độ WGS – 84 tham gia vào chuyển động ngày đêm của quả

đất Tuy nhiên tọa độ của mọi điểm trên mặt đất được xác định trong hệ tọa

độ này không thay đổi và không phụ thuộc vào sự quay quanh trục của quả đất Vì lý do đó hệ tọa độ WGS – 84 cũng như mọi hệ tọa độ địa tâm quả đất

khác được sử dụng rộng rãi trong Trắc địa - Bản đồ để xây dựng các mạng lưới Trắc địa và thành lập bản đồ

Để xác định các tham số quỹ đạo chuyển động của vệ tinh người ta phải

sử dụng hệ tọa độ sao Hệ tọa độ sao có một yếu tố không liên quan đến trái

đất điểm xuân phân (điểm xuân phân là giao điểm của mặt phẳng xích đạo và đường hoàng đạo) Như vậy các tham số quỹ đạo của vệ tinh được xác định

trong hệ tọa độ sao và được sử dụng để tính toán ra tọa độ của vệ tinh trong

hệ WGS – 84 vào thời điểm quan sát

Trong cuộc sống hàng ngày và cả trong các lĩnh vực khoa học – kỹ thuật người ta thường sử dụng hệ thống thời gian liên quan đến chuyển động của mặt trời: Đó là giờ mặt trời trung bình Hệ thống thời gian này có quan hệ mật thiết với hệ thống thời gian sao

Do bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố, các hệ thống thời gian mặt trời và sao thường không ổn định, nên người ta xây dựng chuẩn thời gian dựa trên việc xác định số dao động của một nguyên tử đồng vị phóng xạ giữa hai mức cân bằng Chuẩn thời gian là giờ nguyên tử với độ ổn định rất cao và không liên quan đến sự quay của trái đất Trong công nghệ GPS để xác định 1 khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm và thâm trí mm đòi hỏi phải đáp ứng hai điều kiện:

Sự đồng bộ rất cao giữa đồng hồ và máy thu

Độ chính xác xác định thời gian phải rất cao (cỡ 10^-11s)

2.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO GPS

Việc định vị bằng GPS được sử dụng trên cơ sở sử dụng 2 đại lượng đo

cơ bản là: Đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và code) và đo pha sóng tải (L1 và L2)

P-2.2.1 Đo khoảng cách giả theo C/A – code và P – code

Đo khoảng cách giả tức là xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh,

nhưng khoảng cách đo được không phải là khoảng cách thực (khoảng cách hình học) Do sự không đồng bộ đồng hồ trên máy thu và đồng hồ trên vệ

tinh, và do sự ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu

Hình 2.6 Đo khoảng cách giả theo code

Nguyên tắc đo khoảng cách giả theo tín hiệu code là phương pháp đo khoảng cách một chiều (one-way-ranging), khác với các nguyên tắc đo khoảng cách 2 chiều của các máy đo dài điện tử, hay đo khoảng cách bằng radar Dựa vào code tựa ngẫu nhiên C/A code hoặc P-code bằng phương pháp phân tích tương quan code sẽ xác định được khoảng thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến máy thu Trên thực tế không thể thực hiện việc so sánh code nhận được với code tạo ra trên vệ tinh mà chỉ có thể thực hiện được trong máy thu tín giữa tín hiệu code nhận được và tín hiệu do máy thu tạo ra

Trong trường hợp này code do máy thu tạo ra không đông bộ với code trên vệ tinh do sự đồng bộ quả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

Ký hiệu ts là thời điểm tính theo đồng hồ vệ tinh khi phát tín hiệu và tR

là thời điểm tính theo đồng hồ máy thu nhận tín hiệu code Tương tự ta ký hiệu độ sai của các đồng hồ tính theo hệ thống giờ GPS là δs và δR lần lượt với

đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu Khi đó thời gian lan truyền tín hiệu là:

xs,ys,zs: là tọa độ không gian vệ tinh S

x,y,z: là tọa độ không gian điểm quan sát

Độ chính xác đạt được trong trường hợp sử dụng C/A-code theo dự tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30m Nếu tính đến

ảnh hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu sai số đo khoảng cách cỡ 100m

Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã phát triển đến mức có thể đảm bảo

độ chính xác đo khoảng cách tới cỡ 3m, tức là không thua kém trường hợp sử

dụng P-code vốn không dùng cho khách hàng đại trà Chính lý do này Mỹ đã phải đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-code

2.2.2 Đo khoảng cách giả theo pha sóng tải

Người ta tiến hành đo hiệu số pha của sóng tải do máy thu nhận được từ

vệ tinh với pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Ký hiệu hiệu số pha do máy thu đo được là Ф khi đó có thể viết:

λ- bước sóng của sóng tải

N- số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R

- sai số không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu

N được gọi là số nguyên đa trị, thường không được biết trước mà cần xác định trong quá trình đo

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ centimet thậm chí milimet Sóng tải L2 có độ chính xác thấp hơn L1, nhưng có tác dụng cùng sóng tải L1 giảm thiểu ảnh hưởng sai số của tầng điện ly và đơn giản hóa việc xác định số nguyên đa trị N Dưới đây là bảng so sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định khoảng cách

Bảng 2.1 So sánh kết quả sử dụng sóng tải và các mã code để xác định

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GPS

Công tác đo GPS được thực hiện theo các nguyên tắc cơ bản, đó là đo

GPS tuyệt đối (Absolute positioning), đo GPS tương đối (Relative

positioning), đo GPS vi phân DGPS (Differential – GPS)

2.3.1 Đo GPS tuyệt đối (Absolute Positioning)

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng một máy thu để xác định tọa

độ của điểm quan sát trong hệ thống tọa độ WGS-84, là các thành phần tọa độ

vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B,L,H)

Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của hệ thống GPS, tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy trong hệ tọa độ này WGS-84 được thiết lập gắn với Ellipsoid có kích thước như sau:

Bán trục lớn: a=6378137 m, bán trục bé: b=6356752,3 m

Độẹt:α=

Hình 2.7 Định vị tuyệt đối

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến anten máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh

Về nguyên tắc, nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu, code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu, khi đó máy thu chỉ cần thu tín hiệu của 3 vệ tinh thì ta có thể xác định được tọa độ không gian của máy thu Song trên thực tế

cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác mà là khoảng cách giả

được tính theo công thức (1.6) Từ ba khoảng cách giả ta lập được hệ 3

phương trình mà bốn ẩn số (tọa độ vuông góc XYZ hoặc tọa độ mặt cầu BLH của điểm quan sát và sai số do đồng bộ hồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu ) do đó không xác định được vị trí không gian điểm quan sát Để khắc phục tình trạng này cần phải thu tín hiệu đồng thời từ 4 vệ tinh, tức là phải thu thêm tín hiệu của vệ tinh thứ tư Khi đó, ta lập được hệ phương trình tương ứng 4 cho 4 vệ tinh:

(X 1 -X) 2 +(Y 1 -Y) 2 +(Z 1 -Z) 2 =(R 1 -c ) 2

(X 2 -X) 2 +(Y 2 -Y) 2 +(Z 2 -Z) 2 =(R 2 -c ) 2

(X 3 -X) 2 +(Y 3 -Y) 2 +(Z 3 -Z) 2 =(R 3 -c ) 2(1.6)

(X 4 -X) 2 +(Y 4 -Y) 2 +(Z 4 -Z) 2 =(R 4 -c ) 2

Trong đó: Ri là khoảng cách giả từ máy thu đến vệ tinh thứ i

Xi,Yi,Zi- tọa độ không gian vệ tinh i X,Y,Z- tọa độ không gian điểm đặt anten – sai số do đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu c- vận tốc lan truyền tín hiệu

Vậy bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ máy thu đến bốn vệ tinh

ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn có thể xác

định được số hiệu chỉnh vào đồng hồ máy thu Thực tế với hệ thống vệ tinh

hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh quan sát được thường là từ 6

đến 8 vệ tinh, có khi lên tới 10 vệ tinh Khi đó lời giải đa trị sẽ được rút ra

theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất Độ chính xác của phương pháp

định vị tuyệt đối là 5÷10 m, nếu dùng Ephemeris do chính phủ Mỹ cung cấp

thì độ chính xác lên đến 1 m Trên thực tế độ chính xác của phương pháp này chỉ đến 100 m do chính phủ Mỹ dùng hệ thống làm nhiễu SA Để khắc phục nhược điểm này người ta đã đưa ra phương pháp định vị vi phân và định vị tương đối để nâng cao độ chính xác

2.3.2 Đo GPS tương đối (Relative Positioning)

2.3.2.1 Nguyên lý đo

Đo tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở 2 điểm quan

sát khác nhau để xác định hiệu tọa độ vuông góc không gian ( X, hay hiệu tọa độ mặt cầu ( giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84

Hình 2.8 Định vị tương đối

Nguyên tắc đo tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo pha sóng tải kết hợp khoảng cách giả và cũng có khi sử dụng cả trị đo Doppler để hỗ trợ giả nhanh số nguyên đa trị Để đạt được độ chính xác cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa 2 điểm xét cần thực hiện quan trắc đồng thời tại hai điểm Người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như sai số của đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số

nguyên đa trị Kỹ thuật đo pha hiện nay có thể đạt độ chính xác cỡ 1% bước sóng và có thể cao hơn, chính vì thế định vị tương đối đạt độ chính xác rất cao Kết quả định vị tương đối được sử dụng trong trắc địa vào nhiệm vụ cần độ chính xác cao và rất cao như xây dựng lưới khống chế quốc gia, các mạng lưới chuyên dụng (nghiên cứu địa động, lưới trắc địa công trình v v…)

Ta ký hiệu pha (chính xác hơn là hiệu pha) của sóng tải từ vệ tinh được đo tại trạm quan sát r vào thời điểm ti là Фr

Hình 2.9 Mô hình sai phân bậc 1

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

Nếu xét 2 trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào thời điểm ti, ta

Trong sai phân này, hầu như không có ảnh hưởng của sai số đồng hồ trên

vệ tinh cũng như sai số của đồng hồ trong máy thu

Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, k vào các thời điểm ti, ti+1, ta sẽ có sai phân bậc 3:

∆3φJ,k

= ∆2φk

(ti+1) -∆2φJ.k

(ti)

Hình 2.11 Mô hình sai phân bậc 3

Sai phân này cho phép loại trừ các số nguyên đa trị và sai số đồng

hồ Không những thế, sử dụng sai phân bậc ba để phát hiện và hiệu chỉnh hiện tượng trượt chu kỳ (Cycle Slip) Bằng cách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh (số vệ tinh thường xuất hiện nhiều hơn 4) ta sẽ có rất nhiều trị đo Lời giải đơn trị sẽ được xử lý theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Có thể thấy rằng nhờ các phương trình sai phân người ta đã loại bỏ

được nhiều nguồn sai số ảnh hưởng đến kết quả định vị tương đối Vì vậy

độ chính xác định vị tương đối cao hơn nhiều so với định vị tuyệt đối

Trong đo tương đối người ta phân chia thành các phương pháp sau:

1 - Phương pháp đo tĩnh (Static Relative Positioning)

Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu toạ độ (vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, thường là nhằm đáp ứng các yêu cầu của công tác trắc địa - địa hình Trong trường hợp này cần có 2 máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết toạ độ, còn máy kia đặt ở điểm cần xác định Cả hai máy phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một

1

j(ti)

2 j(ti+1

) k(ti) k(ti+1)

khoảng thời gian nhất định, thường là từ một đến vài ba tiếng đồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 3, nhưng thường được lấy là 4

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn Khoảng thời gian

quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó

ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát

Khi quyết định độ dài thời gian quan trắc trong các ca đo cần căn cứ vào:

- Độ dài của cạnh đo

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh thu được

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 đối với cạnh đo có chiều dài ngắn hơn

Bảng 2.2 Sau đây kiến nghị khoảng thời gian đo hợp lý cho trường hợp quan trắc từ 4 vệ tinh trở lên với điều kiện khí tượng bình thường Chiều dài cạnh (km) Độ dài ca đo (phút)

đo là 15km có thể nhận được kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng

cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm km Nhược điểm chủ yếu của phương pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ đồng hồ, do vậy năng suất đo thường không cao

2 - Phương pháp đo động (Kinematic Relative Positioning)

Năm 1985, phương pháp định vị tương đối động mới được nghiên cứu

và phát triển Phương pháp này cho phép đạt độ chính xác vị trí tương đối giữa trạm cơ sở và trạm động tới centimet và có thể cao hơn Năm 1989, phương pháp khởi đo trạng thái động OTF (On the fly) được nghiên cứu và áp dụng thành công đã là tiền đề để phát triển kỹ thuật đo động tức thời (RTK) sau này Các mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba đều chứa thông tin của sự thay đổi trong khoảng cách hình học

điểm đo Như vậy tổng số ẩn sẽ là 3.nt đối với nt thời điểm Các mối liên

hệ giữa số lượng trị quan trắc và số lượng ẩn số với trường hợp này theo

mô hình sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai, sai phân bậc ba là:

-Sai phân bậc nhất: nj.nt ≥ 3.nt + nj + nt

-Sai phân bậc hai: (nj-1) ≥ 3.nt + (nj-1)

-Sai phân bậc ba: (nj-1)(nt-1)≥ 3.nt

Việc di chuyển liên tục máy thu động hạn chế khả năng xác định tọa

độ trong một thời điểm Song không một mô hình nào ở trên có thể cho

lời giải đầy đủ với nt=1 Vì vậy, các mô hình cần được cải tiến: số lượng

ẩn số được giảm bớt nhờ loại bỏ các ẩn số số nguyên đa trị Việc loại bỏ

các ẩn số này trong sai phân bậc nhất, sai phân bậc hai đòi hỏi số vệ tinh theo dõi trong mọi thời điểm là:

-Sai phân bậc nhất: nj ≥ 4

-Sai phân bậc hai: nj ≥ 4

Các sai phân bậc ba có thể được sử dụng nếu tọa độ của máy động đã biết tại một thời điểm quy chiếu nào đó Trong trường hợp này, hợp lý nhất: (nj-1)(nt-1) ≥ 3.(nt-1)

Ngoài ra cần đảm bảo sai phân bậc ba: nj ≥ 4

Như vậy, trong tất cả các mô hình, yêu cầu cơ bản là phải quan trắc

đồng thời ít nhất 4 vệ tinh

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt

điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong

một vài phút Theo phương pháp này, cần có ít nhất hai máy thu Để xác định

số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên hai điểm đã biết toạ độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu thời điểm đo không phải là một tiếng đồng hồ như trong đo tĩnh nữa mà chỉ còn một vài phút trong phương pháp này

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

đồng thời với máy thu thứ nhất trong vòng một phút Việc làm này gọi là khởi

đo (initialization), máy thứ hai được gọi là máy di động Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm dừng lại để

thu tín hiệu trong một phút, cuối cùng quay trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài trong một phút tại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy

di động phải đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo Vì vậy, tuyến đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hành khởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác

được thiết lập dự phòng trên tuyến đo

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị không thua kém so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh

2.3.3 Đo GPS vi phân DGPS (Differential – GPS)

Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến được đặt tại điểm có tọa độ đã biết (thường được gọi là máy cố

định), đồng thời có một máy khác (máy di động) đặt ở vị trí cần xác định tọa

độ, có thể là điểm cố định trên bề mặt trái đất hay điểm di động như máy bay,

ô tô, tàu thủy… Cả máy cố định và máy di động cần tiến hành thu tín hiệu

đồng thời từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết

quả xác định tọa độ của máy cố định và máy di động đều bị sai lệch Độ sai lệch này được xác định dựa trên cơ sở so sánh tọa độ tính được theo tín hiệu

đã thu và tọa độ sẵn có của máy cố định và từ đó có thể coi là độ sai lệch tọa

độ với máy di động Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy

di động thu nhận và hiệu chỉnh kết quả xác định tọa độ của máy

Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách này đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng xử lý chủ

động, linh hoạt hơn

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định

và phát, chuyển nhanh với tần suất cao Chẳng hạn, để cho khoảng cách từ vệ

tinh đến máy thu được hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5m, số hiệu chỉnh phải

được phát chuyển với tần suất 15 giây/lần Cũng với lý do này phạm vi hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định rất hạn chế với bán kính khoảng

500 :+700 km Người ta đã xây dựng các hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một trạm cố định để phục vụ nhu cầu

định vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương

pháp định vị GPS vi phân có thể đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét

và hơn thế nữa, tới decimet ứng với tầm hoạt động cỡ vài chục kilomet

Hệ thống truyền phát số cải chính đóng vai trò quan trọng trong hệ thống định vị vi phân Đây là hệ thống hỗ trợ mặt đất trong đo GPS Một số quốc gia hay khu vực đã xây dựng các hệ thống này như hệ thống tăng cường diện rộng WAAS của Mỹ, hệ thống đạo hàng địa tĩnh phủ trùm Châu Âu EGNOS của Châu Âu và hệ thống tăng cường đa năng MSAS của Nhật Bản

Kỹ thuật định vị vi phân GPS về cơ bản có thể chia làm 2 loại là GPS vi phân cục bộ (diện hẹp) và GPS vi phân diện rộng Đặc điểm của kỹ thuật GPS

vi phân diện hẹp là cung cấp cho người sử dụng thông tin cải chính GPS vi phân tổng hợp số cải chính cho trị đo chứ không cung cấp số cải chính cho từng nguồn sai số Phạm vi tác dụng của nó khá hẹp, trong vòng 150km Còn

đặc điểm của kỹ thuật GPS vi phân diện rộng là tính riêng từng nguồn sai số

chủ yếu trong định vị GPS và phát tín hiệu vi phân cho người sử dụng, phạm

vi tác dụng của nó tương đối lớn, thường là trên 1000 km

Định vị vi phân được phân loại thành 3 kiểu :

-Định vị GPS vi phân diện hẹp

-Định vị GPS vi phân diện rộng

-Định vị GPS vi phân tăng cường

2.4 CÁC LOẠI SAI SỐ TRONG ĐO GPS

Định vị vệ tinh về thực chất được xây dựng trên cơ sở giao hội không gian

các khoảng cách đo từ má thu đến các vệ tinh có tọa độ đã biết Khoảng cách

đo được là hàm của thời gian và tốc độ lan truyền tín hiệu trong không gian

giữa vệ tinh và máy thu Vì vậy kết quả đo chịu nhiều ảnh hưởng của các sai số của vệ tinh, của máy thu, của môi trường lan truyền tín hiệu và một số nguồn sai số khác

Các nguồn sai số đó có tính chất hệ thống và tính chất ngẫu nhiên ảnh hưởng đến kết quả đo

2.4.1 Sai số đồng hồ (Clock Error)

Sai số đồng hồ gồm sai số đồng hồ vệ tinh, đồng hồ máy thu và sự không

đồng bộ giữa chúng Đồng hồ vệ tinh là đồng hồ nguyên tử, độ chính xác cao

nhưng không phải là hoàn toàn không có sai số Độ ổn định của chúng đạt cỡ 2.10-13 trong khoảng thời gian một ngày, nghĩa là nó gây nên sai số khoảng cách cỡ 2,59-5,18 m trong mỗi ngày Trong đó sai số hệ thống lớn hơn sai số ngẫu nhiên rất nhiều, nhưng cũng có thể dùng mô hình để cải chính sai số hệ thống, do đó sai số ngẫu nhiên trở thành chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác đồng hồ Khi hai trạm đo tiến hành quan trắc đồng bộ đối với vệ tinh thì ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh đối với trị đo của hai trạm là như nhau

Đồng hồ máy thu là đồng hồ thạch anh Cùng một máy thu, khi quan trắc đồng thời nhiều vệ tinh thì sai số đồng hồ máy thu có ảnh hưởng như nhau đối với

các trị đo tương ứng và các sai số đồng hồ máy thu có thể coi là độc lập với nhau Biết rằng vận tốc truyền tín hiệu 3.108m/s, do đó nếu đồng hồ thạch anh

có sai số là 10-4 giây thì sai số tương ứng của khoảng cách là 30000m Nếu

đồng hồ nguyên tử có sai số là 10-7

giây thì sai số tương ứng của khoảng cách

là 30m

Trong định vị tương đối, sử dụng các sai phân bậc 1,2,3 có thể loại trừ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng sai số đồng hồ trong kết quả đo

2.4.2 Sai số do quỹ đạo vệ tinh

Do sự thay đổi trọng trường của Trái đất, sức hút của mặt trăng, mặt trời,

và các thiên thể khác, áp lực bức xạ mặt trời… tác động lên vệ tinh nên chuyển

động của vệ tinh trên quỹ đạo của nó không hoàn toàn tuân theo định luật

kepler Trong định vị GPS cần phải sử dụng lịch vệ tinh (Ephemerit) Nhờ các trạm điều khiển của hệ thống GPS, quan sát liên tục với độ chính xác cao để xác định mô hình chuyển động của vệ tinh và đưa ra lịch dự báo, gọi là lịch vệ tinh quảng bá Lịch vệ tinh quảng bá cung cấp cho khách hàng đại trà sử dụng bằng cách thu trực tiếp nhờ máy thu GPS Lịch vệ tinh này cho phép xác định

vị trí tức thời của vệ tinh với độ chính xác cỡ 20-100m (do Bộ quốc phòng Mỹ thông qua cơ chế SA cố tình khống chế độ chính xác của Ephemerit vệ tinh) Độ chính xác này đủ đáp ứng các yêu cầu đo đạc thông dụng nhưng nhìn chung không đáp ứng các ứng dụng chính xác cao như trong nghiên cứu địa động lực… Ngoài lịch vệ tinh quảng bá còn có lịch vệ tinh chính xác (Precise Ephemeris) Lịch vệ tinh này được xác định từ kết quả hậu xử lý số liệu quan sát ở các thời điểm trong khoảng thời gian quan sát, có độ chính xác xác định

2.4.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu

2.4.3.1 Ảnh hưởng của tầng điện ly

Ảnh hưởng tầng điện ly và tầng đối lưu đến tín hiệu vệ tinh cho đến nay

vẫn là thách thức chủ yếu Tầng đối lưu được tính từ mặt đất đến độ cao 50km

và tầng điện ly ở độ cao từ 50km đến 1000km.Ảnh hưởng của tầng điện ly đến trị đo khoảng cách giả và trị đo pha là vấn đề khá phức tạp Tầng điện ly làm chậm tín hiệu code và mức độ chậm trễ tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số sóng tải và tỷ lệ thuận với tổng lượng điện tử trên đường truyền tín hiệu Đối với trị đo pha, tầng điện ly lại có ảnh hưởng ngược lại, tức là làm giảm tín hiệu

pha đến máy thu sớm hơn

Bảng 2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đến khoảng cách đo từ vệ tinh

tới máy thu

Khi tín hiệu truyền từ vệ tinh với độ cao khoảng 20.200km đi qua tầng

điện ly, tầng đối lưu đến máy thu đặt trên trái đất, nó bị khúc xạ và thay đổi tốc

độ truyền tín hiệu Ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu gây nên gọi là

độ trễ ion Cả hai đều gây nên sai số hệ thống

Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín hiệu vệ tinh, độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo thời gian Ngoài ra như đã rõ, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ thuận với mật độ điện

tử trong tầng điện ly, và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu Mật

độ này thay đổi theo các yếu tố sau:

Vị trí địa lý nơi đo: mật độ electron tối thiểu ở vùng độ vĩ trung bình và cao hơn ở hai cực và vùng xích đạo

Thời gian trong ngày: mật độ electron đạt cực đại vào sáng sớm và cực tiểu vào nửa đêm theo giờ địa phương

Thời gian trong năm: mật độ electron vào mùa đông cao hơn mùa hè Khi tiến hành đo vào khoảng thời gian chung quanh cực tiểu, nhiễu xạ tầng ion sẽ nhỏ và do đó chất lượng đo đảm bảo ngược lại, nếu đo vào thời gian đỉnh điểm của chu kỳ thì ảnh hưởng của tầng điện ly là rất đáng kể, nhất là

đối với các quốc gia ở gần xích đạo như Việt Nam, ảnh hưởng của tầng điện ly được loại bỏ tầng đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số L1 và L2 khác nhau Tuy nhiên, máy thu loại này giá thành cao và nó chưa hẳn đã hoàn toàn tin cậy khi nhận các tín hiệu từ các vệ tinh ở ngưỡng thấp và khi chế định đánh lừa SA

được kích hoạt Do đó cần lưu ý khi đặt ngưỡng cao cho máy thu Kinh nghiệm

cho thấy rằng, nên sử dụng máy thu hai tần khi đo các cạnh dài trên 20km Các phân tích về ảnh hưởng của tầng điện ly đã cung cấp một số lựa chọn sau: Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do tầng điện ly sẽ làm cho việc khắc phục trượt chu kỳ và do đó việc tìm lời giải cho tham số số nguyên đa trị khó khăn hơn đối với chiều dài cạnh đo lớn

Tiến hành đo vào ban đêm là lúc ảnh hưởng này tối thiểu

Sử dụng mô hình dự báo ảnh hưởng tầng điện ly trong thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ làm giảm gần 50% ảnh hưởng của tầng điện ly

Sử dụng máy đo hai tần số sẽ cho phép loại bỏ ảnh hưởng của tầng điện ly Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm được ảnh hưởng của sai số độ trễ điện ly khoảng 1-2mm do sự tương quan giữa chúng trong chiều dài cạnh ngắn và trung bình

Ngày nay, bên cạnh việc hoàn thiện máy thu và anten, người ta đặc biệt quan tâm tới việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ trễ ion không chỉ trong số liệu đo bằng máy thu một tần và cả đối với máy thu hai tần

2.4.3.2 Ảnh hưởng của tầng đối lưu

Ảnh hưởng của tầng đối lưu (nằm cách mặt đất từ 0-70km) mà cụ thể là

sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm không khí gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến cả mã code lẫn pha sóng tải đều chịu ảnh hưởng cùng độ trễ Độ trễ này phụ thuộc vào góc ngưỡng của vệ tinh, nó cực tiểu (cỡ 2.3m) khi vệ tinh ở thiên đỉnh, đạt 9,3m khi vệ tinh ở góc ngưỡng 150

và 20-28m ở góc ngưỡng cao 50

Độ trễ tầng đối lưu có thể chia làm hai thành phần: khô và ướt.Thành

phần khô gây nên 90% tổng độ trễ, nó có thể được mô hình hóa bằng hàm bậc cao để hiệu chỉnh trong quá trình sử lý Thành phần ướt gây nên 10% độ trễ còn lại, nó phụ thuộc vào độ ẩm dọc đường truyền Ta không xác định được

ảnh hưởng này như đối với phần khô May mắn là nó liên quan yếu đến các dữ

liệu khí tượng, do đó, ngày nay ta có thể sử dụng dữ liệu khí tượng chuẩn (áp suất không khí 1010mb, nhiệt độ 200C và độ ẩm không khí là 50%) trong các

mô hình khí tượng thay vì các số liệu đo thực tế (trong điều kiện của chúng ta, việc đo các yếu tố này không thật chính xác) mà vẫn đạt được kết quả thỏa mãn trong đa số trường hợp

Bảng 2.4 Ảnh hưởng tầng đối lưu tới khoảng cách

Nhìn chung, độ trễ tầng đối lưu được xem là tương tự nhau đối với hai

điểm đo cách nhau dưới vài ba chục cây số và với độ chênh cao địa hình không đáng kể, trong trường hợp này nó được giảm thiểu trong gia số tọa độ giữa hai điểm đo Cần lưu ý rằng ảnh hưởng này không phụ thuộc vào tần số, nghĩa là

nó tác động như nhau đến số liệu đo thu bằng máy một tần cũng như thu bằng máy hai tần Tuy nhiên, đối với số liệu đo cả hai tần, có thể tạo nên phương trình kết hợp để loại bỏ sai số đó

2.4.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips)

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải thu được tín hiệu ít nhất từ 4 vệ

tinh tức là phải có tầm nhìn thông đến các vệ tinh đó

Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, song không thể truyền qua được lá cây hoặc các vật che chắn Do vậy tầm nhìn vệ tinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác đo GPS xây dựng các mạng lưới khống chế tọa độ

Khi sử dụng trị đo pha cần phải đảm bảo thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định số nguyên lần bước sóng khởi đầu Tuy nhiên có trường hợp ngay cả vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không

đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay đổi và làm sai kết quả định

vị Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trượt chu kỳ trong tín hiệu Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

2.4.5 Sai số do phản xạ đa đường dẫn (Multipath)

Những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó rồi mới đến máy thu Như vậy, kết quả đo không đúng

Ảnh hưởng này không như nhau tại mỗi điểm đo và thông thường nó không có

tính tương quan giữ các điểm đo Cho nên nó không bị thay đổi hay giảm thiểu thông qua việc sử dụng các sai phân như các sai số kể trên, nó cũng rất khó mô hình hóa Tuy nhiên có thể giảm sai số này thông qua các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng anten (như công nghệ Chokening, lắp thêm vành chống nhiễu xạ) hay áp dụng một số giải pháp công nghệ trong chế tạo máy thu, ngoài

ra thiết thực nhất với người sử dụng là thông qua việc chọn điểm đo có độ thông thoáng tốt ngoài thực địa và việc chọn ngưỡng cao thích hợp (thông thường 150) khi đặt thông số đo cho máy thu Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khả năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dây điện, mái nhà kim loại…

2.4.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPS) do đồ hình vệ tinh

Ta biết việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào các điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu.Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác – hệ số DOP (Delution of Precision)