Ứng dụng công nghệ GPS để xác định độ cao

Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu đề ra, luận văn cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS; - Các vấn đề của việc ứng dụng công nghệ

danh mục các bảng biểu

1 Bảng 3.1: Mẫu bảng số liệu mô hình Geoid 44

3 Bảng 4.1: Thông tin về các lưới khảo sát 60

4 Bảng 4.2: Thống kê khép tam giác lưới Thừa Thiên Huế 68

5 Bảng 4.3: Thống kê khép tam giác lưới Thừa Bình Thuận 68

6 Bảng 4.4: Thống kê khép tam giác lưới Tuyên Quang 69

7 Bảng 4.5: Sai số trung phương đo cao trên 1 km của các lưới 71

Sự phù hợp giữa 2 mô hình EGM 96 và OSU91A với vùng trung du

và vùng núi Việt Nam

8 Bảng 4.6: Kết quả khảo sát lưới Thừa Thiên Huế 73

9 Bảng 4.7: Kết quả khảo sát lưới Bình Thuận 74

10 Bảng 4.8: Kết quả khảo sát lưới Tuyên Quang 74

11 Bảng 4.9: Bảng thống kê các chỉ tiêu theo 2 mô hình 75

Độ chính xác của giá trị h khi sử dụng mô hình Geoid chưa cải tién

12 Bảng 4.10: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Thừa Thiên Huế 76

13 Bảng 4.11: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Bình Thuận 77

14 Bảng 4.12: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Tuyên Quang 77

Độ chính xác của giá trị h khi sử dụng mô hình Geoid đã được cải tiến theo VN 2000

Khi dùng 1 điểm làm độ cao khởi tính

15 Bảng 4.13: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Thừa Thiên Huế 79

16 Bảng 4.14: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Bình Thuận 80

17 Bảng 4.15: Bảng so sánh giá trị Δh và hạn sai lưới Tuyên Quang 80

18 Bảng 4.16: Các điểm không đạt độ chính xác đo cao kỹ thuật 81

Khi dùng 4 điểm làm độ cao khởi tính

19 Bảng 4.17: Khoảng cách từ các điểm song trùng tới điểm fix của

lưới Thừa Thiên Huế

82

20 Bảng 4.18: Khoảng cách từ các điểm song trùng tới điểm fix của

lưới Bình Thuận

83

21 Bảng 4.19: Khoảng cách từ các điểm song trùng tới điểm fix của

lưới Tuyên Quang

83

22 Bảng 4.20: Bảng so sánh giá trị Δh của 3 lưới 84

danh mục các hình vẽ, đồ thị

1 Hình 1.1: Xác định hiệu số giữa các thời điểm khi đo khoảng cách giả 14

5 Hình 2.4: Nguyên tắc đo cao lượng giác 37

8 Hình 3.2: Độ cao trắc địa và độ cao thuỷ 51

9 Hình 4.1: Mô hình Geoid EGM 96 trên lãnh thổ Việt Nam 56

10 Hình 4.2: Mô hình Geoid OSU 91A trên lãnh thổ Việt Nam 57

11 Hình 4.3(A , B): Lưới GPS Thừa Thiên Huế 61

14 Hình 4.6: Phân bố sai số khép vòng chênh cao lưới T Thiên Huế 70

15 Hình 4.7: Phân bố sai số khép vòng chênh cao lưới Bình Thuận 70

16 Hình 4.8: Phân bố sai số khép vòng chênh cao lưới Tuyên Quang 70

mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội đã và đang áp dụng những thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến trên thế giới Trong trắc

địa cũng vậy, công nghệ GPS đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng các mạng lưới toạ độ các cấp ứng dụng công nghệ GPS cho phép chúng ta thành lập các mạng lưới toạ

độ trên diện rộng, không những bao phủ toàn quốc mà còn cho phép liên kết với các mạng lưới khắp trên thế giới Công nghệ GPS đã giúp các nhà quản lý giải quyết được các bài toán vĩ mô mang tính toàn cầu

Chúng ta ứng dụng công nghệ GPS trong hơn 10 năm qua đã giải quyết

được các bài toán lớn như (xây dựng hệ VN 2000, thành lập được mạng lưới

Địa chính cơ sở phủ trùm toàn quốc, ghép nối toạ độ VN 2000 với các hệ toạ

độ khác, xây dựng trạm DGPS )

Trong việc thành lập lưới toạ độ các cấp, công nghệ GPS cho độ chính xác về toạ độ đạt yêu cầu đề ra, nhưng về độ cao thì vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi do còn hạn chế về độ chính xác

Với việc chưa có một mặt Geoid chuẩn trên lãnh thổ Việt Nam đưa vào

sử dụng, thì độ chính xác về độ cao h xác định dựa vào công nghệ GPS đạt

được bao nhiêu Đó là những vấn đề mà đề tài cần phải nghiên cứu, khảo sát

để cho cái nhìn tổng quan nhất về vấn đề độ cao trong công nghệ GPS

2 Mục đích của luận văn

Ngoài các công nghệ đo cao truyền thống thì ngày nay chúng ta đã sử dụng công nghệ GPS kết hợp với mô hình Geoid để xác định độ cao thuỷ chuẩn cho các điểm đo Trong thực tế, độ chính xác của việc đo cao trắc địa H

và độ chính xác của giá trị h xác định dựa vào một mô hình Geoid toàn cầu vẫn còn nhiều vấn đề cần xem xét

Hiện nay ở những khu vực đồi núi cao, hải đảo, việc ứng dụng công nghệ GPS trong việc xác định độ cao là rất cần thiết (do phương pháp đo cao thuỷ chuẩn tại những khu vực này gặp nhiều khó khăn) Mục tiêu chủ yếu của luận văn là dựa trên số liệu thực tế để khảo sát về độ chính xác xác định độ cao ở vùng trung du và vùng núi, từ đó cho chúng ta cái nhìn tổng quan hơn về việc ứng dụng công nghệ GPS để xác định độ cao; đồng thời qua kết quả khảo sát, chúng ta sẽ có những nghiên cứu khoa học để nâng cao hơn nữa việc xác định

h dựa trên công nghệ GPS

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu đề ra, luận văn cần tập trung vào các nhiệm vụ chính sau:

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS;

- Các vấn đề của việc ứng dụng công nghệ GPS để xác định độ cao;

- Đánh giá được độ chính xác của giá trị H trong một số lưới ở vùng Trung du và vùng núi Việt Nam;

- So sánh sự phù hợp của một số mô hình Geoid toàn cầu áp dụng cho vùng Trung du và vùng núi Việt nam;

- Đánh giá độ chính xác của giá trị h khi ứng dụng mô hình Goeid toàn cầu

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp thống kê: Thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin, các tài liệu liên quan;

- Phương pháp phân tích: Tổng hợp, xử lý logic các tài liệu, giải quyết các vấn đề đạt ra;

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu với các kết quả nghiên cứu, thực tiễn trong sản xuất để đưa ra các nhận định, quy trình công nghệ phù hợp với yêu cầu thực tiễn

5 Cơ sở tài liệu của luân văn

Luận văn được xây dựng trên cơ sở tài liệu thu thập được từ các bài báo chuyên ngành, dự án, phương án kỹ thuật, các báo cáo khoa học về công nghệ GPS; các kết quả nghiên cứu, kiểm tra, thẩm định các công trình về GPS của Trung tâm Kiểm định chất lượng sản phẩm đo đạc và bản đồ - Cục Đo đạc và Bản đồ

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Trong khi GPS đã đáp ứng được các yêu cầu về mặt phẳng thì càng ngày chúng ta càng quan tâm hơn về việc ứng dụng công nghệ GPS để xác định độ cao thuỷ chuẩn h thông qua ứng dụng một số mô hình Geoid toàn cầu như EGM 96, OSU 91A (do chúng ta chưa công bố và cho sử dụng rộng rãi một mô hình Geoid chuẩn cho lãnh thổ Việt Nam)

Phân tích một số lưới GPS lớn ở vùng Trung du và vùng núi Việt Nam kết hợp với việc một số điểm GPS được đo dẫn độ cao hình học hạng 3 sẽ cho cái nhìn tổng quan hơn về độ chính xác của H trong công nghệ GPS, đồng thời

đánh giá được độ chính xác của h khi sử dụng một số mô hình Geoid toàn cầu (với khu vực này bề mặt Geoid chịu ảnh hưởng rất đáng kể của yếu tố địa hình)

Từ những nghiên cứu khảo sát, chúng ta thêm cơ sở khi sử dụng công nghệ GPS để xác định độ cao Đồng thời qua đó có những nghiên cứu để có thể ứng dụng công nghệ GPS trong việc xác định độ cao h những khu vực mà phương pháp đo cao hình học gặp khó khăn, như vùng núi, hải đảo

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn dài 88 trang đánh máy, 22 bảng biểu, 16 hình vẽ và đồ thị, 12tài liệu tham khảo Cấu trúc của luận văn bao gồm:

Danh mục các bảng biểu;

Danh mục các hình vẽ, đồ thị;

Mở đầu;

Chương 1: Công nghệ GPS và các ứng dụng ở Việt Nam;

Chương 2 Các hệ thống độ cao và các phương pháp đo cao;

Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội

Tôi xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy hướng dẫn, người đã chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này Trong quá trình nghiên cứu và viết luận văn, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp quý báu từ tập thể cán bộ Trung tâm Kiểm định chất lượng sản phẩm đo đạc và bản đồ

Do thời gian hạn chế, kinh nghiệm và kiến thức có hạn nên bản luận văn này không tránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu để cho những kết quả nghiên cứu của luận văn này được hoàn thiện, ứng dụng có hiệu quả hơn

Xin chân thành cảm ơn

-

chương 1 công nghệ gps vμ các ứng dụng ở việt nam

1.1 hệ thống định vị toàn cầu gps

1.1.1 Một số hệ thống định vị toàn cầu

- Hệ thống Transit: Được đưa vào sử dụng từ những năm 1960 để đáp ứng yêu cầu của đạo hàng Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng doppler, gồm 6 vệ tinh bay ở độ cao 1075 km có góc nghiêng với mặt phẳng xích đạo của trái đất xấp xỉ 900 Độ chính xác định vị với mỗi lần vệ tinh bay qua chỉ

đạt vài ba chục mét

- Hệ thống TSICADA: Là hệ thống đạo hàng của Liên Xô được sử dụng vào những năm 60 nhằm phục vụ cho mục đích quân sự, nguyên lý hoạt động tương tự hệ thống TRANSIT

- Hệ thống GLONASS: Do Liên Xô chế tạo và đưa vào sử dụng năm

1982 gồm 24 vệ tinh, quay trong 3 mặt phẳng quỹ đạo ở độ cao 18.840 km - 19.940 km với chu kỳ quay 676 phút

1.1.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Từ những năm 1960, Bộ quốc phòng Mỹ và cơ quan hàng không và không gian quốc gia (NASA) đã triển khai hệ thống đạo hàng mang tên TRANSIT Hệ thống này đã sớm đạt được các ưu điểm của hệ thống đạo hàng

và trở thành dịch vụ dẫn đường từ năm 1967 Hệ thống TRANSIT hoạt động trên nguyên lý Doppler, các vệ tinh của TRANSIT phát tín hiệu ở hai tần số là 150MHz và 400MHz Với tần số này các tín hiệu truyền từ vệ tinh dễ bị tầng

điện ly làm chậm và bị nhiễu Việc quan sát vệ tinh TRANSIT chỉ kéo dài 20', trong khi đó yêu cầu của định vị điểm phải quan sát vệ tinh 1-3h Theo ước tính có khoảng 80.000 đơn vị dân sự đã sử dụng hệ thống TRANSIT cho đạo hàng Hệ thống TRANSIT kết thúc sử dụng vào năm 1996

Hệ thống định vị toàn cầu GPS được viết đầy đủ là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Global Positioning System) Ngày 22 tháng 2

năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã đ−a lên quỹ

đạo Từ năm 1978-1985 có 11 vệ tinh Block I đ−ợc phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng Việc phóng vệ tinh thế hệ Block II bắt đầu vào năm 1989, sau giai đoạn này hệ thống gồm 24

vệ tinh triển khai trên 6 quỹ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái

đất với chu kỳ 12h ở độ cao khoảng 20.200 km Loại vệ tinh thế hệ II (Block IIR) đ−ợc đ−a lên quỹ đạo năm 1995 [10], cho đến nay có 32 vệ tinh GPS

Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200 km, chu kỳ 12h Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo và thời gian sử dụng của mỗi vệ tinh khoảng 7,5 năm

1.1.3.2 Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó

có trạm chủ (Master Station) đặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Sping, bang Colorado, USA và 4 trạm theo dõi (Monitor Station) Trạm chủ là nơi nhận và xử lý các tín hiệu thu từ vệ tinh tại 4 trạm theo dõi

Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và sau đó truyền tới các

vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi

1.1.3.3 Đoạn sử dụng

Gồm tất cả các máy móc thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác,

sử dụng cho mục đích và yêu cầu khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không và đất liền, phục vụ cho các công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten của máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng, tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với các phần mềm xử lý và quy trình thao tác thu thập số liệu ngoài thực địa

1.1.4 Nguyên lý định vị GPS

1.1.4.1 Các đại lượng đo

Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng

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

và P-code) và đo pha của sóng tải (L1, L2)

a) Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu) Do có sự không

đồng bộ giữa đồng 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 đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả

Nếu ký hiệu toạ độ của vệ tinh là xs, ys, zs; toạ độ của điểm xét (máy thu)

là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không

đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là Δt, khoảng cách giả đo

được là R, ta có phương trình:

trong đó c là tốc độ 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 đo khoảng thời gian 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 theo C/A code sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể

đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách cỡ 3m, tức là hầu như không thua kém

so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà Chính vì lý do này mà Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được

t c z

z y

y x

x t

t c

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu được

Hình 1.1 Xác định hiệu số giữa các thời điểm

nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000

b) Đo pha sóng tải

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

Khi đó ta có thể viết:

trong đó: 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;

Δt là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;

N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian 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 cm thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị

được đơn giản hơn

1.1.4.2 Định vị tuyệt đối (point positioning)

Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay toạ độ của

điểm quan sát trong hệ toạ độ WGS84 Đó có thể là các thành phần toạ độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu (B,L,H)

Hệ thống toạ độ WGS 84 là hệ thống toạ độ cơ sở của GPS, toạ độ của vệ tinh

)(

2

t c N

và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống toạ độ này Nó được thiết lập gắn với elipxoid có kích thước như sau:

a= 6378137 1/α = 298,2572

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

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 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh

đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó

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

(xs1- x)2 +(ys1- y)2 +(zs1- z)2 = (R1-cΔt)2 (xs2- x)2 +(ys2- y)2 +(zs2- z)2 = (R2-cΔt)2

(xs3- x)2 +(ys3- y)2 +(zs3- z)2 = (R3-cΔt)2 (xs4- x)2 +(ys4- y)2 +(zs4- z)2 = (R4-cΔt)2 Với 4 phương trình 4 ẩn số (x, y, z, Δt) ta sẽ tìm được nghiệm là toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số hiệu chỉnh của

đồng hồ (thạch anh) của máy thu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

(1.3)

1.1.4.3 Định vị tương đối (Relative Positioning)

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu toạ độ vuông góc không gian (ΔX, ΔY, ΔZ) hay hiệu toạ độ mặt cầu (ΔB,ΔL,ΔH) giữa chúng trong hệ toạ độ WGS 84 Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số toạ độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị

Ta ký hiệu Φ(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r vào thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được biểu diễn như sau:

Δ1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (1.4) trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời

điểm ti, ta có phân sai bậc hai:

Δ2Φj,k(ti)= Δ1Φk(ti)- Δ1Φj(ti) (1.5) trong công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hộ vệ tinh

và máy thu

Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:

Δ3Φj,k(ti)= Δ2Φj,k(ti+1)- Δ2Φj,k(ti) (1.6) sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị

Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27-28 vệ tinh hoạt động Do vậy, tại mỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong đo tương đối thường khá dài vì vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu

toạ độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

1.1.5 Các phương pháp đo GPS

Trong công tác khai thác và sử dụng hệ thống GPS hiện nay, tuỳ từng tính chất công việc, độ chính xác các đại lượng cần tìm mà người ta sử dụng phương pháp đo cho phù hợp Hiện nay trong thực tế có một số kỹ thuật đo như sau:

1.1.5.1 Đo cải chính phân sai DGPS (Code-based Differential GPS)

Hiện nay do nhu cầu định vị với độ chính xác cỡ dm đến vài m trong khi

đó mặc dù Chính phủ Mỹ đã khuyến cáo bỏ chế độ can thiệp SA nhưng độ chính xác của định vị tuyệt đối vẫn không dưới 10m Chính vì vậy các nhà sản xuất đã đưa ra phương pháp đo sai phân

Trong phương pháp này cần một máy thu GPS được kết nối với một bộ

điều biến để phát tín hiệu đặt tại điểm gốc, một số máy khác (máy di động)

đặt tại vị trí các điểm cần xác định toạ độ Cả máy cố định và máy thu cùng thu tín hiệu vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác

định toạ độ của máy cố định và máy thu cùng bị sai lệch như nhau Độ sai lệch này được xác định trên cơ sở so sánh toạ độ tính theo tín hiệu và toạ độ của máy cố định đã biết trước Sai lệch đó được máy cố định phát qua sóng vô tuyến để máy di động nhận được và hiệu chỉnh kết quả cho các điểm đo

Ngoài cách hiệu chỉnh toạ độ thì người ta còn tiến hành hiệu chỉnh khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu Cách hiệu chỉnh này đòi hỏi máy thu cố

định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng cho phép người sử dụng, xử

lý chủ động và linh hoạt hơn

Phương pháp này có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động:

- Phương pháp xử lý tức thời (Real time);

- Phương pháp xử lý sau (post processing)

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 thì số hiệu chỉnh phải được phát chuyển đi với tần suất 15 giây một lần Cũng với lý do này mà phạm vi hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định không phải là tuỳ ý,

mà thường hạn chế ở bán kính vài trăm km Người ta đã xây dựng hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số 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 bảo đảm độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét đến dm

1.1.5.2 Đo tĩnh (Static)

Đo tĩnh (Static) hay đo tĩnh nhanh (Fast-Static) là phương pháp đo tương

đối, sử dụng 2 hoặc nhiều máy thu đồng thời tín hiệu trong một thời gian dài

để xác định ra hiệu toạ độ giữa các máy thu Các trạm đo đồng thời sẽ tạo thành các đoạn đo (session)

Đo tĩnh là phương pháp đo có độ chính xác cao nhất, với các máy thu GPS 1 tần và hai tần số hiện nay cho độ chính xác rất cao phục vụ cho công tác xây dựng các mạng lưới trắc địa nhà nước, nghiên cứu địa động

ở khoảng cách dài từ vài chục đến vài trăm km thì người ta thường sử dụng máy đo hai tần số L1, L2 để khắc phục sai số do tầng điện ly

1.1.5.3 Kỹ thuật đo động (Kinematic)

Ra đời từ những năm 1985 song đến những năm 1990 mới được áp dụng rộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTF ở nước Mỹ kỹ thuật đo động được triển khai thử nghiệm từ năm 1997 Phương pháp đo dựa trên nguyên lý định

vị tương đối

Cơ sở của định vị động là dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu

kỳ đo (epoch), được nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó

chuyển đến Sự thay đổi đó tương đương với sự thay đổi khoảng cách địa diện

đến vệ tinh

Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi của máy thu di động so với máy thu cố định Trạm máy cố định được gọi là trạm tham khảo (reference)hay còn gọi là trạm BASE Máy thu đặt tại trạm này phải đảm bảo cố định trong suốt thời gian đo động Máy thu di động gọi là trạm ROVER, được di động trên các điểm đo cần xác định toạ độ (trên đất liền, trên không trung, trên biển) Trong thời gian đo, cả hai máy phải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 4 vệ tinh Định vị động có thể sử dụng đối với trị

đo khoảng cách giả hoặc trị đo pha sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong các trường hợp việc sử dụng pha sóng tải có độ chính xác cao hơn

Định vị động cần thực hiện thủ tục khởi đo trên mặt đất nhờ cặp điểm biết toạ độ Cặp điểm này thường được xác định trước nhờ đo tĩnh hoặc tĩnh nhanh Ngoài ra có thể khởi đo nhờ kỹ thuật OTF Trong quá trình đo, vì lý do nào đó số vệ tinh thu được ít hơn 4, sẽ bị mất khởi đo, trong trường hợp này phải thực hiện lại thủ tục khởi đo

Khoảng cách từ trạm base đến trạm rover không được quá xa, đối với máy thu một tần TRIMBLE 4600LS chỉ cho phép khoảng cách tối đa là 10km Thời gian dừng máy tại điểm đo thường chỉ cần kéo dài từ vài giây đến vài phút sao cho đủ ghi ít nhất 2 số liệu đo, thời gian này phụ thuộc vào chế độ

mà người đo cài đặt Một thiết bị khác đi cùng với chế độ đo động là bộ điều khiển đo (Survey Controller)

Phương pháp đo động cũng được thực hiện theo hai chế độ là đo động xử

lý sau (Post Processing Kinematic- viết tắt là PPK) và đo động thời gian thực (Real Time Kinematic- viết tắt là RTK) Trong phương pháp PPK, toạ độ sẽ

được tính toán xử lý trong phòng do vậy không cần đến Radio Link, nhưng với RTK thì thiết bị đó không thể thiếu được, nó đóng vai trò trong việc truyền đi tín hiệu chứa các số hiệu chỉnh về toạ độ từ trạm máy base

1.1.5.4 Kỹ thuật đo giả động (Pseudo-Kinematic)

Phương pháp đo giả động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động Trong phương pháp này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu trong suốt chu kỳ đo, máy di

động được chuyển tới các điểm cần xác định và mỗi điểm thu tín hiệu 5-10 phút

Sau khi đo hết lượt máy di động quay trở về điểm xuất phát và đo lặp lại tất cả các điểm theo đúng trình tự như trước, nhưng chú ý phải đảm bảo khoảng thời gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn 1 tiếng

đồng hồ Yêu cầu nhất thiết của phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát

Điều đáng chú ý nhất trong phương pháp này là máy di động không cần thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo như phương pháp đo động, tại mỗi điểm đo máy chỉ đo 5-10 phút sau đó có thể tắt máy trong lúc di chuyển

đến điểm khác Điều này cho phép áp dụng cả ở những khu vực có nhiều vật che khuất

1.1.6 Các nguồn sai số trong định vị GPS

1.1.6.1 Sai số do độ sai lệch đồng hồ

Sai số do sự không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai số rất lớn trong kết quả đo GPS, đặc biệt là trong định vị tuyệt đối

Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tính

đồng bộ về thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ trong khoảng 20 nano giây Còn các máy thu GPS được trang bị đồng hồ thạch anh chất lượng cao (1 phần 104) đặt bên trong

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.108 m/s, nếu sai số

đồng hồ thạch anh là 10-4 s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km, nếu

đồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 30m

Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương

đối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ

1.1.6.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất chịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất,

ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời Các ảnh hưởng trên sẽ tác động tới quỹ đạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân theo đúng 3 định luật Kepler Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định vị tương đối hoặc vi phân

Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể căn

cứ vào lịch vệ tinh Tuỳ thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh

được chia làm 3 loại là:

- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số cỡ vài km;

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): Được tạo lập dựa trên 5 trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ nhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số cỡ từ 2-5 m;

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

1.1.6.3 ảnh hưởng điều kiện khí tượng

Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn 20.000

km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50 km tới độ cao 500 km và tầng đối

lưu từ độ cao 50km đến mặt đất Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị thay đổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt độ và các bụi khí quyển trong tầng đối lưu

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi định vị tuyệt

đối có thể bị sai số cỡ 12m, còn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể gây sai số

cỡ 3m

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

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

Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như đi trong cùng môi trường, sai số sẽ được loại trừ trong các công thức tính hiệu toạ độ, do vậy ta nên sử dụng máy 1 tần trong khi đó nếu sử dụng máy hai tần

1.1.6.4 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 điện từ khác;

- Máy thu GPS đặt gần các đường dây tải điện cao áp;

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

Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa các trạm phát sóng , các đường dây cao thế không bố trí máy thu dưới các rặng cây

1.1.6.5 Sai số do người đo

Người đo có thể phạm các sai lầm như trong đo chiều cao anten, dọi

điểm định tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten Để tránh các sai số này thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao anten

Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới độ cao của điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

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

1.1.7 Các ứng dụng GPS trên thế giới

Với khả năng đảm bảo độ chính xác định vị hàng chục mét đến vài ba mét (định vị tuyệt đối), thậm chí đến cỡ cm và mm (định vị tương đối) trên phạm vi toàn cầu trong mọi điều kiện thời tiết vào bất cứ lúc nào, hệ thống GPS đã và đang được ứng dựng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hoạt

động của con người

1.1.7.1 Trên sông, biển

a Hoạt động Giao thông trên thuỷ

- Đạo hàng trên biển cả, ven bờ, ra vào cảng;

- Đạo hàng trên sông ngòi, kênh rạch;

- Theo dõi, giám sát giao thông trên biển

b Khai thác dầu khí

- Phục vụ khai thác: Đo vẽ thuỷ đạc, đo địa chấn, đo vẽ khu vực dự báo

có dầu, đo vẽ phục vụ lắp đặt đường ống;

- Định vị tầu khoan, thiết bị hồi âm;

- Xác định các khu vực tích tụ dầu, các bồn chứa dầu

c Đo vẽ thuỷ đạc: Đo vẽ hải đồ chính xác, đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển, phát hiện các vật cản nguy hiểm cho hàng hải

1.1.7.2 Trên đất liền và trên không

- Đạo hàng và định vị các phương tiện giao thông vận tải trên bộ;

- Các dịch vụ an toàn cứu hộ;

- Theo dõi hoạt động của đường sắt;

- Dẫn đường bay, điều khiển cất cánh, hạ cánh tại các sân bay vv

Theo dõi biến dạng cục bộ: Nhằm theo dõi lún do khai thác mỏ hoặc biến dạng công trình

Theo dõi biến dạng toàn bộ: Như hoạt động kiến tạo của địa tầng, sự trôi dạt của các lục địa

1.2 lưới GPS

1.2.1 Khái niệm về lưới GPS

Lưới GPS gồm các điểm được chôn trên mặt đất nơi ổn định hoặc bố trí trên đỉnh các công trình vững chắc, kiên cố Các điểm được liên kết với nhau bởi các cạnh đo, nhờ các cạnh đo chúng ta sẽ tính toán xác định toạ độ, độ cao của các điểm trong một hệ thống toạ độ thống nhất

Một đặc điểm của lưới GPS là không cần thông hướng giữa các điểm vẫn

có thể đo cạnh được Với lưới GPS, đồ hình lưới ít ảnh hưởng tới độ chính xác của lưới

1.2.2 Chọn điểm và thiết kế đo GPS

1.2.2.1 Chọn điểm GPS

Chọn điểm GPS là một nội dung quan trọng trong thiết kế lưới GPS Ngoài một số yêu cầu về mật độ điểm, về kết cấu hình học của mạng lưới, các

điểm GPS cần phải đảm bảo một số yêu cầu riêng mang tính đặc thù của công nghệ này

Để thiết kế lưới GPS và chọn điểm phải có được các bản đồ địa hình từ tỷ

lệ 1/10000 đến 1/100000 khu vực cần lập lưới Ngoài ra cũng có thể sử dụng các loại bản đồ giao thông để phục vụ cho mục đích này Tất cả các điểm đo

dự kiến cần được triển vị trí lên bản đồ cùng với các điểm gốc đã biết

Khi thiết kế và chọn điểm GPS cần lưu ý tới các điều cơ bản sau:

- Các vật cản xung quanh điểm đo có góc cao không quá 150 ( hoặc có thể là 200) để tránh cản tín hiệu GPS;

- Không quá gần các bề mặt phản xạ như cấu kiện kim loại, các hàng rào, mặt nước vv , vì chúng có thể gây hiện tượng đa đường dẫn;

- Không quá gần các thiết bị điện (như trạm phát sóng, đường dây cao

áp ) có thể gây nhiễu tín hiệu

Các mốc GPS cần chôn ở những vị trí có nền đất ổn định (điều kiện địa chất ổn định và không có nguy cơ bị phá hoại, bồi lấp mốc vv ) và tránh khả năng nhầm lẫn mốc Điểm GPS nên bố trí nơi thông thoáng lên thiên đỉnh và gần đường giao thông

1.2.2.2 thiết kế đo GPS

Trong thiết kế đo GPS, tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng số liệu đo mà nội dung thiết kế đo có thể khác nhau, song thường bao gồm các nội dung cơ bản sau:

- Thiết kế mạng lưới GPS (đo tĩnh), hoặc xây dựng phương án đo động;

- Lập kế hoạch đo: Bao gồm các công việc chuẩn bị máy móc, trang thiết bị; lựa chọn thời gian đo thích hợp (lịch đo); khảo sát thực địa và lên kế hoạch chuyển máy giữa các thời đoạn đo

Một nguyên tắc khi thiết kế lưới là phải có trị đo thừa để kiểm tra kết quả

đo, chính vì vậy mạng lưới GPS phải tạo thành các hình khép kín, hoặc được khống chế bởi các điểm cấp cao Sai số khép hình phản ánh chất lượng của các

cạnh đo và các sai số định tâm, đo cao anten, đồng thời kiểm tra phát hiện sai

số thô như đạt nhầm điểm, nhầm lẫn trong đo cao anten vv

Một lưới GPS cần xác định trong hệ toạ độ nhà nước, tốt nhất cần kết nối

ít nhất với 3 điểm của lưới nhà nước Nếu trong khu đo có nhiều điểm toạ độ,

độ cao nhà nước thì cần tận dụng đo nối triệt để khi thiết kế lưới Nếu khu đo không có điểm độ cao nhà nước hoặc điểm độ cao không đo GPS được thì phải đo dẫn độ cao nhà nước vào các điểm GPS, tuỳ từng mức độ của công trình mà ta dẫn nhiều hay ít độ cao thuỷ chuẩn vào các điểm đo, nhưng khi thiết kế cố gắng phân đều các điểm gốc về toạ độ và độ cao trên toàn mạng lưới thì độ tin cậy sẽ cao

Để bảo đảm thành công cho công tác đo GPS cần tiến hành lập kế hoạch

đo, cụ thể là xác định thời gian tối ưu Khi lập lich vệ tinh tốt nhất là sử dụng file đo không quá 1 tháng

1.3 Một số ứng dụng công nghệ GPS tại việt nam

1.3.1 Thành lập mạng lưới khống chế toàn quốc

Từ năm 1991 đến năm 1993 Cục đo đạc và bản đồ nhà nước đã kịp thời ứng dụng công nghệ GPS để phủ lưới toạ độ tại các khu vực khó khăn: Minh Hải, Sông Bé, Tây Nguyên với máy 1 tần số 4000ST và 2 tần số 4000SST với tổng số điểm là 117 điểm tạo thành mạng lưới dầy đặc Năm 1992 đã xây dựng lưới trắc địa biển gồm 36 điểm trong đó có 9 điểm thuộc lưới tam giác

đường chuyền dọc bờ biển [9]

Cuối năm 1995 Tổng Cục Địa chính đã quyết định xây dựng lưới toạ độ cấp "O" quốc gia gồm 96 điểm trong đó có 68 điểm thiết kế trùng với các

điểm toạ độ hạng I,II đã đo trước đây [9]

Năm 1997 Tổng Cục Địa chính đã sử dụng công nghệ GPS để đo nối toạ

độ với lưới IGS quốc tế gồm 4 điểm là: Guam, Đài Loan, Lhasa (Tây Tạng), Shao (Thượng Hải) [9]

Từ năm 1994, khi công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính trở thành nhiệm vụ hết sức cấp bách, Tổng cục địa chính (cũ) đã phê duyệt dự án xây dựng mạng lưới tọa độ hạng III phủ trùm toàn quốc dầy hơn mạng lưới hạng III cũ và được xây dựng bằng công nghệ định vị toàn cầu GPS, được gọi là mạng lưới Địa chính cơ sở

Trong thời gian từ năm 1994 đến 1996 đã hoàn thành được mạng lưới hạng III phủ trùm 20 tỉnh thành phố với trên 5000 điểm

Từ năm 1999 đến 2003 đã hoàn thành việc xây dựng mạng lưới hạng III phủ trùm trên 40 tỉnh thành phố còn lại

Lưới tọa độ hạng III được đo bằng công nghệ GPS với các máy thu tín hiệu vệ tinh 1 và 2 tần số như (máy 4000ST,SST,SE của hãng TRIMBLE NAVIGATION)

Như vậy hiện nay mạng lưới tọa độ hạng III đã phủ trùm 64 tỉnh thành phố trong cả nước với tổng số điểm là 12631 Mạng lưới trên đã được bình sai tổng thể với độ chính xác của các lưới đạt được: ms/s ≤1/100000; mp≤0.07 m; mα≤2"

Thành quả bình sai trên đã hoàn chỉnh và đưa vào khai thác sử dụng

1.3.2 Định vị Ellipsoid Quy chiếu Quốc gia VN 2000

Bài toán định vị Ellipsoid Quy chiếu Quốc gia là bài toán xác định tọa độ tâm của Ellipsoid quy chiếu WGS 84 sao cho thỏa mãn điều kiện cực tiểu hàm mục tiêu:

i X Y Z

1

2 ( , , ) min

ζ

trong đó XO,YO,Zo là tọa độ tâm của Ellipsoid Quy chiếu WGS-84;

ζi=Hi-hi là dị thường độ cao tại các điểm định vị;

Hi là độ cao trắc địa xác định bằng công nghệ GPS;

hi là độ cao thủy chuẩn xác định bằng thủy chuẩn hình học

(1.7)

Quan hệ hàm số giữa ζi và (XO,YO,Zo) xác định theo nhiều công thức khác nhau [9]

Trong thực tế người ta chọn một lưới điểm có mật độ khoảng từ 10.000km2 đến 15000 km2 trên 1 điểm (tức là khoảng 100km tới 120km có một điểm) Như ở Việt Nam chúng ta cần khoảng 22-33 điểm cơ sở định vị Với bài toán định vị Ellipsoid để xây dựng hệ VN2000, chúng ta đã chọn

được 25 điểm GPS có đo nối thủy chuẩn (hạng 1, 2) phân bố đều trên lãnh thổ làm điểm cơ sở định vị

Sau khi tính toán bằng hai phương pháp (phương pháp phi tuyến, phương pháp tuyến tính) đã cho kết quả như nhau Ngoài ra chúng ta còn dùng 1737

điểm của toàn lưới hỗn hợp GPS-mặt đất làm điểm cơ sở định vị (trong đó ζ

được lấy từ EGM 96) để kiểm tra so sánh với việc dùng 25 điểm định vị ở trên, kết quả cho thấy:

- Sử dụng 25 điểm cơ sở định vị phân đều trên lãnh thổ đảm bảo độ chính xác cần thiết để định vị Ellipsoid quy chiếu;

- Phân tích kết quả định vị Ellipsoid Quy chiếu WG84 có thể khẳng định ellipsoid này có kích thước khá phù hợp với lãnh thổ Việt Nam Độ cao cực

đại của Geoid trên ellipsoid WGS84 là 3.310 m, trung bình là 1.614 m [9]

1.3.3 Xây dựng mô hình Geoid đối với Ellipsoid quy chiếu quốc gia

Sau khi định vị Ellipsoid Quy chiếu quốc gia, cần phải xây dựng mô hình Geoid địa phương để có thể tính toán dị thường độ cao phục vụ chuyển các trị

đo mặt đất về Ellipsoid Quy chiếu đã định vị Về thực chất mô thình Geoid không thay đổi nhưng chúng ta đã thay đổi Ellipsoid Quy chiếu nên có thể coi một cách tương đối là mô hình Geoid thay đổi một cách tương đối so với ellipsoid cố định Theo hệ quy chiếu mới có thể tính được độ cao Geoid ζ tại những điểm GPS có độ cao thủy chuẩn Mô hình chúng ta xây dựng gọi là VnGeo99, mô hình này có độ lệch không lớn so với Ellipsoid quy chiếu Quốc gia (độ lệch lớn nhất khoảng 3m)

Sử dụng Modul Geoid trong phần mềm TRIMNET+ cùng với mạng lưới GPS-TC với 367 điểm GPS có đo nối thủy chuẩn Sau khi tính toán đạt được kết quả sau [9]:

- Độ lệch về độ cao Geoid địa phương giữa giá trị mô hình và giá trị thực tại các điểm có độ cao thủy chuẩn đạt tới mức 90% nhỏ hơn 1m, giá trị lớn nhất không vượt quá 2m;

- Chỉ có địa bàn tỉnh Lai châu có độ cao Geoid vượt quá 3m, còn lại tới 90% lãnh thổ có độ cao Geoid nhỏ hơn 3m

1.3.4 Xây dựng các trạm DGPS

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, sự tiến bộ vượt bậc của việc khai thác sử dụng hệ thống GPS, công nghệ DGPS với thiết bị không

đắt tiền, sử dụng đơn giản với độ chính xác khoảng từ cỡ dm đến 3m thực tế

đang trở thành giải pháp hữu hiệu đối với việc đo đạc cập nhật biến động bản

đồ tỷ lệ trung bình 1/10000, phục vụ các mục đích định vị, dẫn đường, điều tra khảo sát tài nguyên môi trường biển, đo đạc địa hình đáy biển, tìm kiếm cứu nạn trên biển

Hệ thống trạm GPS quốc gia đang hoạt động hiện nay gồm 3 trạm:

Dự kiến trong thời gian tới sẽ xây dựng thêm 2 trạm tại Hà Nội và Đà Nẵng với tầm hoạt động 700km Khi đó chúng ta sẽ có một hệ thống các trạm GPS phủ sóng kín toàn lãnh thổ và khu vực rộng lớn ngoài biển

Chương 2 Các hệ thống độ cao vμ các phương pháp đo cao

2.1 Các hệ thống độ cao

2.1.1 Những vấn đề chung về độ cao

Trong công tác trắc địa bản đồ, để xác định vị trí của một điểm trên bề mặt trái đất, ngoài việc xác định toạ độ mặt bằng chúng ta còn quan tâm tới độ cao của nó trong hệ thống độ cao thống nhất Trong hệ toạ độ không gian một

điểm bất kỳ luôn được thể hiện bởi 3 thành phần toạ độ (X,Y,Z) Ngoài ra còn

có thể biểu diễn theo hệ toạ độ trắc địa (B,L,H), trong đó H là độ cao trắc địa hay còn gọi là độ cao so với Ellipsoid Đã nói đến toạ độ trắc địa là gắn với một ellipxoid có hình dạng, kích thước xác định và được định vị so với trái

đất, chúng ta thường gọi đó là ellipxoid thực dụng

Dựa vào các hệ toạ độ giúp con người quản lý được vị trí của các điểm trên quy mô toàn cầu Trong một số trường hợp người ta xây dựng các hệ toạ

độ vuông góc phẳng cho từng khu vực nhỏ trên bề mặt trái đất theo một phép chiếu nào đó, và chấp nhận theo các biến dạng nào đó do chuyển đổi từ mặt bậc hai (ellipxoid) sang mặt bậc nhất (mặt phẳng)

Trong thực tế của đời sống, độ cao trắc địa H hầu như ít được sử dụng vì

nó chỉ mang ý nghĩa hình học thuần tuý mà không mang ý nghĩa vật lý cơ bản Trong khi đó phần lớn các ngành khoa học khi nghiên cứu một vấn đề gì

đó thường gắn liền với các tính chất vật lý của trái đất (xây dựng, thuỷ lợi, môi trường vv )

Khác với toạ độ mặt bằng, lý thuyết độ cao được xây dựng trên cơ sở thế trọng trường và liên quan đến nó là hàng loạt các khái niệm như : Thế hấp dẫn, thế ly tâm, mặt đẳng thế, giá trị trọng lực vv

Để xác định độ cao tại các điểm trên mặt đất người ta phải tiến hành đo cao, đây là một trong các dạng công việc đặc thù trong công tác đo đạc cơ bản

của trắc địa Tuỳ theo phương pháp đo, phương pháp chỉnh lý mà độ cao có các tên gọi khác nhau như: Độ cao chính, độ cao thường, độ cao động học

Ta xét bản chất của việc xác định độ cao bằng phương pháp thuỷ chuẩn hình học Khi các mặt đẳng thế song song với nhau thì độ cao h của điểm B so với điểm khởi đầu 0 được xác định bằng cách lấy tổng chênh cao từ 1,2, ,n của các trạm thuỷ chuẩn:

Trong thực tế, khi đo thuỷ chuẩn ở khu vực nhỏ với độ chính xác cao thì các mặt đẳng thế có thể coi là song song với nhau Khi độ cao được truyền trong khoảng cách lớn thì phải tính đến ảnh hưởng của các mặt đẳng thế không song song với nhau do sự phân bố vật chất trong lòng trái đất Chính vì vậy tổng chênh cao các đường đo khác nhau thì ta nhận được các giá trị độ cao khác nhau

Như vậy ta nhận thấy độ cao đo được không đơn trị, để có được độ cao

đơn trị ta có nhiều cách hiệu chỉnh độ cao đo được, ứng với mỗi cách hiệu chỉnh ta có một hệ thống độ cao

WB=const

O

Hình 2.1 Nguyên tắc xác định độ cao

đại lượng không đổi:

ΔW=ΔB-ΔO = const (2.3) trong đó: ΔW là thế năng trọng trường của các mặt nước đi qua điểm B và

g

g g

W

B B

O m m

Như vậy ta có thể định nghĩa độ cao chính của một điểm trên mặt đất là khoảng cách từ điểm đó tới mặt Geoid theo đường sức trọng trường

Trên thực tế chúng ta không biết cấu tạo của lớp vỏ Trái đất vì vậy không thể tính chính xác giá trị trọng lực trung bình theo đoạn đường sức tại B Như vậy, độ cao chính không thể tính chặt chẽ được

2.1.3 Hệ thống độ cao thường và mặt Kvadigeoid

Vì độ cao chính không chặt chẽ do không biết được giá trị trọng lực trung bình gB

m Để có công thức chính xác, Molodenski đề nghị thay giá trị

gBm trong công thức tính độ cao chính (2.2) bằng giá trị γB

m để được công thức

độ cao

Độ cao xác định theo công thức (2.8) gọi là độ cao thường hay độ cao chuẩn (normal height) Sự khác nhau giữa độ cao chính và độ cao thường chính là sự khác nhau giữa giá trị trọng lực thực trung bình gB

m và trọng lực thường trung bình γB

m Giá trị trọng lực thường trung bình γB

m hoàn toàn xác

định chính xác, vì thế hệ thống độ cao thường là hệ thống độ cao chặt chẽ nhất Hiện nay ở Châu Âu có nhiều nước đang sử dụng hệ thống độ cao thường [11], gồm các nước xã hội chủ nghĩa trước đây như Ba Lan, Tiệp Khắc, Rumani, Bungari Hungari và một số nước như Pháp, Đức, Thuỷ Điển

Hệ thống độ cao thường gắn liền với bề mặt Kvadigeoid, có thể dựng bề mặt Kvadigeod bằng cách từ mặt đất theo phương đường sức trọng trường bình thường dựng các đoạn bằng độ cao thường Hγ của điểm đó Tập hợp các

điểm nhận được sẽ tạo thành mặt Kvadigeoid

∫

O

B m

Trên đại dương hai mặt Geoid và Kvadigeoid hầu như trùng nhau, ở vùng

đồng bằng hai mặt này cách nhau khoảng 2-3 cm, ở vùng núi cao khoảng cách không vượt quá 2m

2.1.4 Các hệ thống độ cao khác

Trong thực tế ta nhận thấy rằng độ cao thường có một nhược điểm là do

sự thay đổi của các giá trị trọng lực bình thường theo vĩ độ dẫn đến độ cao thường cũng thay đổi theo vĩ độ Sự thay đổi này rất đáng kể ở những vùng nước trải dài theo kinh tuyến Chúng ta cũng gặp phải những nhược điểm như vậy khi áp dụng độ cao chính do sự thay đổi của giá trị trọng lực trung bình

Để có độ cao bằng nhau ở những vùng nước này, ta áp dụng độ cao động học tính theo công thức:

Người ta thường tính γϕ theo vĩ độ 45o Độ cao động học tính theo công thức (2.9) đối với cùng một mặt nước là đồng nhất bởi vì γϕ và ∫ gdh là đại lượng không đổi Để độ cao động học không sai khác so với độ cao thường và

độ cao chính, trọng lực nên tính ở vĩ độ trung bình của vùng nước Như đã

∫

hd

ϕγ 1

Hγ

ζ

Kvadigeoid

Ellipxoid chuẩnMặt đất

Hình 2.2 Mặt Kvadigeoid

( 2.9)

thấy trong định nghĩa độ cao động học khác với độ cao thường, nên nó không thể dùng làm hệ thống độ cao thống nhất mà chỉ là hệ thống độ cao khu vực, vì vậy độ cao động học được áp dụng để giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong khu vực

số độ cao giữa hai điểm dựng mia là A,B qua số đọc a,b trên mia

Chênh cao giữa hai điểm A và B được xác định

B

A Hình 2.3 Nguyên tắc đo cao hình học

Máy thủy bình có nhiều loại, có những loại có độ chính xác cao dùng để

đo độ cao hạng 1,2 nhà nước (Ni 004, N3, Wild 25…), một số máy có độ chính xác thấp như Ni 030, Ni 025 dùng để đo độ cao các mạng lưới hạng 3,4

và độ cao kỹ thuật Cũng trên nguyên tắc tia ngắm song song với trục ống thủy dài người ta còn chế tạo các máy cân bằng tự động, trong đó bộ phận tự cân bằng thay thế cho ống thủy dài (máy KONI 007, Ni025…)

Ngày nay ngoài các máy quang cơ trên thì các nhà sản xuất còn cho ra

đời các lọai máy thủy chuẩn điện tử với mia mã vạch (DL 101C, do các hãng như Topcon, Trimble sản xuất) Loại máy này có ưu điểm là có bộ phận

tự cân bằng, ngoài ra nó còn giảm công việc ghi sổ, đọc số vì vậy loại trừ được hai nguồn sai số trên Trong khi đó chúng ta có thể đặt chế độ đo (S-T-T-S; SS-TT) Trong file kết quả, trạm cuối sẽ cho chúng ta kết quả chênh cao và chiều dài tuyến giữa hai điểm mốc

2.2.2 Đo cao lượng giác

N

B'

O

BM

Đo cao lượng giác được sử dụng bằng máy kinh vĩ trên cơ sở xác định góc đứng (góc thiên đỉnh Z hoặc góc nghiêng v) từ điểm đo đến điểm ngắm hình (2.4)

Giả sử cần xác định độ cao của điểm B ta đem máy đặt ở điểm A ngắm tiêu đặt ở điểm B, đo chiều cao máy i, chiều cao mục tiêu là V, M là đỉnh của mục tiêu, S là khoảng cách ngang giữa hai điểm A và B JN là hướng ngắm

đúng, ϕ1 là góc thiên đỉnh, JM là hướng ngắm bị ảnh hưởng của chiết quang,

Z1 là góc thiên đỉnh bị ảnh hưởng của chiết quang, γ1 là góc chiết quang

γ1 = ϕ1 -Z1 (2.11) Gọi HA và HB là độ cao trắc địa tại điểm A, B Từ giá trị góc thiên đỉnh

đo được ở trạm máy A là Z1 và khoảng cách giữa hai điểm A và B là S ta thành lập công thức tính chênh cao giữa hai điểm như sau:

a Trong trường hợp đo đơn

Trường hợp đo góc thiên đỉnh tại A là Z1 , khoảng cách là S không lớn hơn 10 km, giá trị góc thiên đỉnh nằm trong khoảng 870<Z<930, ta có công thức tính hiệu số độ cao trắc địa [12]:

V i S

u S C gZ S H

H B ư A = + + 1 ,"2 + ư

cot

ρ

trong đó u1,2 là góc lệch dây dọi trên mặt phẳng thẳng đứng qua điểm ngắm

Để di chuyển về hiệu số độ cao thường, chúng ta còn sử dụng công thức:

( ) i V S

u S C gZ S H

ρ

γ γ

thiên đỉnh nằm trong khoảng 870<Z<930, hiệu số độ cao trắc địa giữa hai điểm

1

"

2 4

2

1 , 2 2 , 1 2 2 , 1 1 , 2 1 2

Hiện nay người ta sử dụng các máy toàn đạc điện tử để đo cao, thực chất cũng là đo cao lượng giác

2.2.3 Đo cao GPS

Ngày nay công nghệ GPS được khai thác rộng rãi trong trắc địa, công nghệ này rất thuận tiện khi xây dựng các mạng lưới tọa độ nhà nước lẫn các mạng lưới tọa độ địa chính do trong khi đo không cần việc thông hướng đo Trong đo GPS tương đối ta có thể xác định được gia số giữa hai điểm là (ΔX, ΔY, ΔZ) trong hệ WGS 84 Từ các gia số này ta có thể chuyển thành các gia số ΔB, ΔL, ΔH (ở đây ΔH là hiệu số độ cao trắc địa trong hệ WGS 84 với Ellipsoid chọn tính)

Nếu sử dụng các gia số ΔH trên qua tính toán ta sẽ nhận được độ cao trắc

địa của các trạm thu tín hiệu, tức là độ cao với Ellipsoid chọn tính gắn với hệ WGS 84

Trong đo cao GPS, chúng ta đặc biệt quan tâm tới chiều cao anten đo

được Khi đo cao anten, ngoài chú ý đến độ chính xác khi đo thì người đo cần ghi cụ thể chính xác loại anten đang sử dụng, phương pháp đo chiều cao Khi

xử lý số liệu, dựa vào sổ đo, người xử lý cần chú ý tới vấn đề khai báo phương pháp đo cao anten của phần mềm cho đúng với thực tế

(2.14)

Hiện nay trong thực tế, tùy từng loại anten và địa hình đặt máy, chúng ta

có những cách đo chiều cao anten khác nhau Chúng ta có thể đo từ mốc tới mép anten hoặc đáy anten Tùy từng cách đo, khi xử lý số liệu chúng ta sẽ có cách khai báo khác nhau

Với mỗi loại anten thì chiều cao biết trước sẽ khác nhau, đây chính là chiều cao từ đáy anten tới tâm phase của anten, chiều cao này do nhà sản xuất xác định và ghi ngay trên anten Trong các phần mềm xử lý số liệu GPS hiện nay, chiều cao biết trước của từng loại anten đã được cập nhật, vì vậy khi khai báo loại anten và phương pháp đo chiều cao anten thì phần mềm sẽ tự động hiệu chỉnh

Hiện nay, hầu như chúng ta vẫn sử dụng sổ đo GPS trong đó không có phần khai báo loại anten đo và phương pháp đo cao anten Đây là lý do khiến cho người xử lý số liệu khai báo phương pháp đo cao anten bị nhầm gây ra kết quả đo cao bị sai Vì vậy chúng ta cần phải ban hành loại sổ đo GPS mới cho phù hợp để tránh trường hợp nhầm lẫn về đo cao anten

tâm phase

chiều cao thực

chiều cao đo

chiều cao biết trước

Hình 2.5 Phép đo cao anten

Chương 3 ứng dụng công nghệ GPS

để xác định độ cao

3.1 geoid và mô hình Geoid

3.1.1 Khái niệm về mặt Geoid

Chúng ta biết rằng mặt Geoid có vai trò quan trọng trong việc xác định

độ cao thuỷ chuẩn của các điểm Từ năm 1873, nhà vật lý người Đức là

Listing đã định nghĩa bề mặt Geoid như sau: Mặt Geoid là mặt thuỷ chuẩn, gần trùng với bề mặt nước biển trung bình với giả thiết không chịu ảnh hưởng của thuỷ triều lên xuống, ảnh hưởng của gió và sự thay đổi áp lực khí quyển,

được kéo dài vào lục địa mà tại mọi điểm trên bề mặt đó luôn vuông góc với

đường dây dọi

Vì bề mặt Geoid là mặt đẳng thế trọng trường, mang ý nghĩa vật lý, nó liên quan đến sự phân bố vật chất trong lòng đất, liên quan đến mối tương tác vật lý giữa các thiên thể khác với Trái Đất, do đó không thể biểu diễn nó bằng công thức toán học giống như chúng ta đã biểu diễn mặt ellipxoid Trái Đất

3.1.2 Mô hình Geoid

Từ lâu, người ta đã tìm cách xác định và thể hiện bề mặt Geoid bằng một phương thức nào đó, ví dụ như dạng bản đồ Geoid, trên đó biểu diễn Geoid qua các đường thẳng dị thường độ cao với khoảng cao đều ấn định trước Hình thể Geoid còn thể hiện qua các giá trị độ lệch dây dọi, dị thường độ cao Tất nhiên trong các giá trị đó phải gắn liền với một điểm nhất định, có vị trí xác

định trong hệ toạ độ quy ước

Hình thể Geoid không chỉ có giá trị quan trọng đối với trắc địa mà nó còn giúp cho người ta nghiên cứu đầy đủ hơn về Trái Đất vì hình thể Geoid liên quan mật thiết đến sự phân bố vật chất trong lòng trái đất, sự tương tác lực giữa các vật thể vũ trụ với trái đất cũng như tốc độ quay của Trái Đất quanh trục của nó và chuyển động của trái đất trên quỹ đạo mặt trời

Hiện nay với kỹ thuật số và khả năng lưu trữ số liệu của máy tính điện tử, người ta đã xây dựng mô hình Geoid theo kỹ thuật số Nếu như trên khu vực cần nghiên cứu, ứng với mỗi điểm có toạ độ Bi, Li chúng ta có giá trị độ cao Geoid ζi thì coi như chúng ta đã có được mô hình bề mặt Geoid khu vực xét Mật độ điểm càng cao thì mức độ chi tiết của Geoid càng lớn Xét trên quy mô toàn cầu, nếu chúng ta có số liệu phân bố đều trên khắp thế giới thì chúng

ta có mô hình Geoid toàn cầu

Trong các phần mềm xử lý số liệu hiện nay như GPSurvey 2.35; Trimble Geomatics Office có thể khai thác được khá nhiều mô hình khu vực và toàn cầu

H×nh 3.1 M« h×nh OSU 91A toµn cÇu