ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu (gps) xây dựng lưới khống chế đo vẽ xã việt lập, huyện tân yên, tỉnh bắc giang

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS ñã ñược công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc ñịa bản ñồ bởi các tính ưu việt sau: Có thể xác ñịnh tọa ñộ của các ñiể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ðÀO QUANG HUỲNH

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ðỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ ðO VẼ XÃ VIỆT LẬP,

HUYỆN TÂN YÊN, TỈNH BẮC GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ðÀO QUANG HUỲNH

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ðỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ ðO VẼ XÃ VIỆT LẬP,

HUYỆN TÂN YÊN, TỈNH BẮC GIANG

CHUYÊN NGÀNH : QUẢN LÝ ðẤT ðAI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI – 2015

LỜI CAM ðOAN

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

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Page ii

LỜI CẢM ƠN

ðể hoàn thành ñược ñề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến:

Ban giám ñốc Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam, khoa Quản lý ñất ñai, cùng các thầy, cô giáo ñã giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của trường

TS Lê Minh Tá ñã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện ñề tài

Anh Nguyễn Trọng Thủy – Giám ñốc chi nhánh công ty cổ phần tư vấn dịch

vụ và thương mại nông nghiệp Phương Bắc, cùng cán bộ, nhân viên công ty ñã giúp

ñỡ tôi trong quá trình ño ñạc, thu thập số liệu và ñồng ý cho tôi sử dụng số liệu này trong ñề tài của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành ñến gia ñình, bạn bè ñã giúp ñỡ, ñộng viên và ñóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành ñề tài

Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận ñược sự ñóng góp

ý kiến của quý thầy cô ñể ñề tài hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

1.1.1 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa ñộ truyền thống 41.1.2 Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa ñộ bằng công nghệ GPS 61.2 Khái quát chung về hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS 7

1.4.1 Khái niệm, yêu cầu thiết kế lưới khống chế ño vẽ 251.4.2 Quy trình xây dựng lưới khống chế ño vẽ 261.5 Giới thiệu chương trình bình sai, ñánh giá ñộ chính xác lưới GPS bằng phần mềm Trimble Business Center (TBC) 27

Page iv

1.5.1 Khái quát phần mềm Trimble Business Center (TBC ) 271.5.2 Quy trình hoạt ựộng của phần mềm Trimble Business Center (TBC) 29Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.4.1 Phương pháp ựiều tra, thu thập tài liệu, số liệu 312.4.2.Phương pháp xây dựng lưới ựo vẽ 31

2.4.4 Phương pháp tổng hợp, phân tắch, so sánh 312.4.5 Phương pháp kiểm tra nghiệm thu 31

3.1 điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội xã Việt Lập, huyện Tân Yên, tỉnh Bắc Giang 33

3.1.2 Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội, cơ sở hạ tầng 353.1.3 đánh giá chung về ựiều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội 373.1.4 Tư liệu Trắc ựịa Bản ựồ hiện có 383.2 Xây dựng lưới khống chế ựo vẽ ựể thành lập bản ựồ ựịa chắnh tỷ lệ 1/1000

3.3.1 Những ưu ñiểm của công nghệ GPS so với phương pháp ño ñạc

truyền thống trong công tác xây dựng lưới ño vẽ ở khu vực miền núi 713.3.2 Khả năng ứng dụng của công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới

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

ðộ mất chính xác theo phương ngang NAVSTAR GPS : Navigation Satellite Providing Timming and

Ranging Global Positioning System NNSS : Naval Navigation Satellite System

Hệ thống ñạo hàng vệ tinh trên biển

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

PDOP : Position Dilution of Precision

ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

ITRF : International Celestial Reference Frame

Khung tọa ñộ Quốc tế VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

ðộ mất chính xác theo phương dọc

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

DT 398 : Tên tuyến ñường nhựa trong khu ño

PT-04 : Tên tuyến ñường nhựa trong khu ño

DANH MỤC BẢNG

1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản chung của lưới khống chế ño vẽ 26

3.2 Khối lượng công việc cần thực hiện 433.3 Thiết kế ca ño lưới khống chế ño vẽ xã Việt Lập 48

3.6 So sánh kết quả ñạt ñược với quy phạm hiện hành 693.7 So sánh kết quả xử lý ñược với kết quả ño kiểm tra 70

1.5 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm 12

1.6 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 13

3.1 Quy trình xây dựng lưới khống chế ño vẽ 40

3.6 ðồ hình về số lượng các vệ tinh trong khoảng thời gian lập lịch ño 46

3.7 Sự phân bố vệ tinh trên bầu trời trong hệ tọa ñộ ñịa diện chân trời 46

3.13 Chỉnh sửa lại tên ñiểm, chiều cao angten 55

3.14 Cửa sổ plan view hiển thị mạng lưới 55

3.15 Kiểm tra cấu hình dùng xử lý cạnh 56

3.16 vô hiệu hóa các vệ tinh không có tín hiệu và loại bỏ phần xấu của dữ

3.19 ðặt trọng số và giá trị bình sai với thủ thuật trọng số 61

3.20 Các ñiểm khống chế sau bình sai với elip sai số 62

3.21 Kết quả biên tập 7 bảng theo quy ñịnh BTNMT 63

MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Công tác quản lý Nhà nước về ñất ñai trong giai ñoạn hiện nay cũng như trong tương lai lâu dài luôn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế -

xã hội, bảo vệ môi trường, giữ vững an ninh, quốc phòng và toàn vẹn lãnh thổ quốc gia Khảo sát, ño ñạc, lập bản ñồ ñịa chính là một trong những nội dung quản lý nhà nước về ñất ñai ñã ñược ghi tại khoản 3, ðiều 22 của Luật ñất ñai

2013 Nội dung chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn của các cấp, các ngành trong việc thực hiện khảo sát, ño ñạc, lập và quản lý bản ñồ ñịa chính ñã ñược quy ñịnh tại ðiều 23 của Luật ñất ñai 2013 ( Luật ñất ñai, 2013 )

Căn cứ Luật ñất ñai năm 2013, ngày 29 tháng 11 năm 2013, Nghị ñịnh 43/2014/Nð-CP ngày 15 tháng 05 năm 2014 của Chính phủ quy ñịnh chi tiết thi hành một số ñiều của Luật ðất ñai; Căn cứ Thông số 25/2014/TT-BTNMT ngày 19/05/2014 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về quy ñịnh các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của việc lập, chỉnh lý, quản lý, sử dụng bản ñồ ñịa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, và 1:10000 và trích ño ñịa chính thửa ñất thay thế Quy phạm thành lập bản ñồ ñịa chính trước ñây.( Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014 )

Công tác ño ñạc bản ñồ ñược chúng ta thực hiện từ rất lâu ñời, ban ñầu chỉ

sử dụng các dụng cụ thô sơ và những phép tính ñơn giản ñể ño vẽ, thành lập bản

ñồ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học, ngành trắc ñịa cũng phát triển nhanh tróng và ñạt ñược những thành tựu khoa học ñáng

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

Hệ thống ñịnh vị toàn cầu GPS là hệ thống ñịnh vị, dẫn ñường sử dụng các

vệ tinh nhân tạo ñược Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm ñầu thập kỷ

70 Ban ñầu, hệ thống này ñược dùng cho mục ñích quân sự nhưng sau ñó ñã ñược thương mại hóa, ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt ñộng kinh tế, xã hội Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của ñời sống xã hội ñã và ñang áp dụng công

nghệ GPS Trong trắc ñịa cũng vậy, công nghệ GPS ñã mở ra thời kỳ mới, ñã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xây dựng mạng lưới tọa

ñộ các cấp Với ngành trắc ñịa bản ñồ thì ñây là cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung

và ở Việt Nam nói riêng

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

vệ tinh; kết quả ño ñạc có thể tính trong hệ tọa ñộ toàn cầu hoặc hệ tọa ñộ ñịa phương bất kỳ

Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và ñược sử dụng rộng rãi Người

ta ñã sử dụng công nghệ GPS ñể xây dựng lưới tọa ñộ nhà nước các cấp thay thế cho các phương pháp truyền thống, ñạt ñược ñộ chính xác cao

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

tế tương ñối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng ñất ngày càng tăng Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý ñất ñai của huyện là thành lập bản ñồ ñịa chính (BððC) có ñộ chính xác cao Hiện nay ñã xây dựng xong mạng lưới ñịa chính huyện Tân Yên và ñang tiến hành ño vẽ bản ñồ ñịa chính trong toàn huyện theo quy phạm thành lập bản ñồ ñịa chính Tuy nhiên ứng dụng công nghệ GPS ñể xây dựng lưới khống chế ño vẽ thành lập bản ñồ ñịa chính chưa ñược các cấp quan tâm ñúng mức và chưa có quy phạm ño chi tiết

ðể mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần ñưa công nghệ mới vào công tác ño vẽ thành lập bản ñồ ñịa chính Dưới sự hướng dẫn của TS

Lê Minh Tá, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài:

“Ứng dụng hệ thống ñịnh vị toàn cầu (GPS) xây dựng lưới khống chế

ño vẽ Xã Việt Lập, Huyện Tân Yên, Tỉnh Bắc Giang”

2 Mục ñích của ñề tài

Ứng dụng công nghệ ño GPS tĩnh nhanh ñể xây dựng lưới khống chế ño

vẽ thành lập bản ñồ ñịa chính tại xã Việt Lập, huyện Tân Yên

3 Yêu cầu của ñề tài

- Lưới khống chế ño vẽ phải ñảm bảo ñủ mật ñộ ñiểm và ñộ chính xác ñể thành lập bản ñồ ñịa chính tỷ lệ lớn 1/1000 cho xã Việt Lập, huyện Tân Yên

- Lưới khống chế ño vẽ phải ñảm bảo ñủ các cặp thông hướng phù hợp với ñịa hình và công tác ño vẽ chi tiết thành lập bản ñồ ñịa chính cho khu ño

- Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng lưới tuân theo quy phạm hiện hành của

Bộ Tài nguyên và Môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Khái quát chung về lưới khống chế

Lưới khống chế là hệ thống các ựiểm ựược ựánh dấu chắc chắn trên mặt ựất, giữa chúng liên kết với nhau bởi các hình học và các ựiều kiện toán học chặt chẽ, ựược xác ựịnh trong cùng một hệ thống tọa ựộ thống nhất với ựộ chắnh xác cần thiết, làm cơ sở phân bố chắnh xác các yếu tố nội dung bản ựồ và hạn chế sai

số tắch lũy

1.1.1 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa ựộ truyền thống

1.1.1.1 Lưới tam giác

a, Lưới tam giác ựo góc

Phương pháp này ựược ứng dụng vào ựầu thế kỷ XX khi chưa phát triển máy ựo cạnh có ựộ chắnh xác cao

đồ hình cơ bản là lưới tam giác dày ựặc, khóa tam giác, tứ giác trắc ựịa (tứ giác có hai ựường chéo - hình thoi) và ựa giác trung tâm

Trong lưới tam giác ựo góc người ta tiến hành ựo tất cả các góc trong lưới nên có ựiều kiện kiểm tra độ chắnh xác các yếu tố trong lưới (cạnh, phương vị,

vị trắ ựiểm) ựạt khá cao và ựồng ựều

Hạn chế của lưới tam giác là:

- đồ hình là những tam giác gần ựều

- đòi hỏi phải thông hướng cho tất cả các ựiểm

- Cạnh không thể dài do ảnh hưởng của chiết quang không khắ và ựộ cong trái ựất (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2012 )

b, Lưới tam giác ựo cạnh

Yếu tố cần ựo của lưới là tất cả các cạnh tam giác trong lưới Các góc tam giác có thể ựược tắnh ra từ các cạnh do Khi biết góc phương vị của một cạnh khởi ựầu ta sẽ tắnh ựược góc phương vị của cạnh khác Khi biết tọa ựộ một ựiểm gốc ta sẽ tắnh ựược tọa ựộ các ựiểm khác của lưới tam giác

+ Ưu ựiểm: trị ựo ắt, khống chế ựược khu vực rộng lớn

+ Nhược ựiểm: Trị ựo thừa ắt, ựộ chắnh xác tắnh chuyền phương vị cũng tốn

kém hơn lưới tam giác ño góc nên lưới ño cạnh không có ñộ tin cậy cao.(Dương

Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2012)

c, Lưới tam giác ño góc cạnh kết hợp

Yếu tố cần ño của lưới là các góc và cạnh trong mạng lưới tam giác

+ Ưu ñiểm: Cho ñộ chính xác cao, phạm vi khống chế rộng lớn

+ Nhược ñiểm: Khối lượng công việc lớn, việc xây dựng mạng lưới phức tạp và tốn kém Khi xử lý nội nghiệp phải xử lý hai loại trị ño khác nhau về ñơn vị

và khác nhau về ñộ chính xác, cho nên công tác xác ñịnh trọng số hợp lý rất phức tạp ( Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2012)

1.1.1.2 Lưới ña giác (lưới ñường chuyền)

ðường chuyền là một dạng cơ bản của lưới khống chế mặt bằng Trên khu

ño bố trí các ñiểm nối với nhau tạo thành ñường gãy khúc, trong trắc ñịa người ta gọi ñó là “ðường chuyền”, “ðường ña giác”, “ðường sườn” ðo tất cả các góc ngoặt của ñường chuyền ta sẽ xác ñịnh ñược vị trí tương hỗ giữa các ñiểm Nếu biết tọa ñộ của một ñiểm và góc phương vị của một cạnh ta dễ dàng tính ra góc phương vị và các tọa ñộ của các ñiểm khác trên ñường chuyền

- Phương pháp ñường chuyền chỉ thích ứng ở những khu vực mà ở ñó nếu

áp dụng phương pháp tam giác thì phải dựng hàng loạt tiêu cao

- Lưới ñường chuyền chọn ñiểm linh hoạt hơn nhưng ñiều kiện ràng buột

ít hơn nên ñộ chính xác các yếu tố của lưới kém lưới ño góc Từ những năm 1960 trở lại ñây phương tiện ño cạnh có nhiều cải tiến, ñặc biệt khi có các máy toàn ñạc ñiện tử (Total station) vừa ño góc, vừa ño cạnh có ñộ chính xác cao nên phương pháp ña giác ñược dùng khá phổ biến

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

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

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

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

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

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

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

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

thành những ñiểm nút (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2012)

1.1.2 Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa ñộ bằng công nghệ GPS

Phương pháp xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS có những ưu ñiểm vượt trội hơn phương pháp truyền thống : không cần thông hướng giữa các ñiểm trên mặt ñất; ñộ chính xác ño ñạc ít phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết, việc

ño ñạc tọa ñộ các ñiểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái ñất nếu thu ñược tín hiệu vệ tinh

Do có những ưu ñiểm vượt trội như vậy nên ngày nay công nghệ GPS ñã ñược sử dụng rộng rãi với phương pháp ño tương ñối tĩnh cho ñộ chính xác cao nhất, vì thế phương pháp này ñược sử dụng ñể ño các mạng lưới khống chế

Phương pháp ño tĩnh ñược sử dụng ñể xác ñịnh hiệu tọa ñộ (vị trí tương hỗ) giữa hai ñiểm xét với ñộ chính xác cao Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy ñặt tại ñiểm ñã biết tọa ñộ, còn máy kia ñặt tại ñiểm cần xác ñịnh tọa ñộ Cả hai máy cần phải ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ 60 phút ñến vài ba tiếng ñồng hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 4 vệ tinh Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là ñủ ñể cho ñồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi mà

từ ñó ta có thể xác ñịnh ñược số nguyên ña trị của sóng tải và ñồng thời là ñể có nhiều trị ño nhằm ñạt ñộ chính xác cao và ổn ñịnh cho kết quả giám sát

Ưu ñiểm: ñây là phương pháp cho phép ñạt ñộ chính xác cao, không cần xây dựng các cột tiêu, ít phụ thuộc vào ñiều kiện thời tiết, các công tác ño ngắm

và có thể tính toán tự ñộng hóa, thời gian thi công nhanh và lưới ñạt ñộ chính xác cao, ñồng ñều

Nhược ựiểm: bên cạnh những ưu ựiểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống thì thiết bị vệ tinh GPS khá ựắt tiền nên hiệu quả kinh tế mang lại chưa cao đòi hỏi cán bộ tham gia xây dựng và ựo lưới GPS phải có kinh nghiệm

và trình ựộ kỹ thuật cao ( Lê Mạnh Hùng, 2013 )

1.2 Khái quát chung về hệ thống ựịnh vị toàn cầu GPS

1.2.1 Khái quát về GPS

1.2.1.1 Khái niệm về GPS

Tên tiếng Anh ựầy ựủ của GPS là: Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh ựể cung cấp thông tin vị trắ 3 chiều và thời gian chắnh xác Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt ựộng trong mọi ựiều kiện thời tiết

(đặng Nam Chinh và đỗ Ngọc đường, 2012)

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

1.2.1.2 Các thành phần của GPS

GPS gồm 3 thành phần: ựoạn không gian, ựoạn ựiều khiển và ựoạn người

sử dụng

1 đoạn không gian

đoạn không gian theo thiết kế gồm 24 vệ tinh chuyển ựộng trên 6 mặt phẳng quỹ ựạo với ựộ cao khoảng 20.200 km, nghiêng với mặt phẳng xắch ựạo của trái ựất một

góc 550 Vệ tinh GPS chuyển ñộng trên quỹ ñạo gần như tròn ñều với chu kì 718 phút Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ ñạo như vậy trong bất kì thời gian nào và ở bất kì vị trí quan sát nào trên trái ñất cũng có thể quan sát ñược tối thiểu 4 vệ tinh Hiện nay có 31

vệ tinh ñang hoạt ñộng

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600kg khi phóng và khoảng 800kg trên quỹ ñạo Theo thiết kế tuổi thọ của vệ tinh khoảng 7,5 năm Năng lượng cung cấp cho hoạt ñộng của các thiết bị trên vệ tinh là năng lượng pin mặt trời

Mỗi vệ tinh ñược trang bị 4 ñồng hồ nguyên tử gồm 2 ñồng hồ thuộc loại censium và 2 ñồng hồ thuộc loại rubidium có ñộ chính xác 10-12 s Với 4 ñồng hồ này không chỉ có mục ñích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám sát thời gian và cung cấp giờ chính xác nhất Thêm vào ñó mỗi vệ tinh còn ñược trang bị bộ tạo dao ñộng thạch anh rất chính xác

Tất cả các ñồng hồ của hệ thống GPS hoạt ñộng ở tần số chuẩn cơ sở f0 = 10.23MHz Tần số này là tần số chuẩn của ñồng hồ nguyên tử, với ñộ chính xác

cỡ 10-12

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

Từ tần số cơ sở thiết bị sẽ tạo ra 2 tần số sóng tải L1, L2

Sóng tải L1 có tần số f1 = 154f0 = 1575,42 MHz, có bước sóng l0 = 19,032 cm Sóng tải L2 có tần số f2 = 120f0 = 1227,60 MHz, có bước sóng l2 = 24,420 cm Các sóng tải L1, L 2 thuộc dải sóng cực ngắn như vậy các tín hiệu vệ tinh

sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng ñiện li và tầng ñối lưu vì mức ñộ làm chậm tín hiệu

do tầng ñiện li tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số

ðể phục vụ cho các mục ñích và ñối tượng khác nhau, các tín hiệu phát ñi ñược ñiều biến mang theo các code riêng biệt ñó là C/A code, P- code và Y – code

- C/A code là code thô cho phép dùng rộng rãi

- P – code ñược dùng cho mục ñích quân sự (của Mỹ) và chỉ ñược dùng cho mục ñích khác khi Mỹ cho phép

- Y – code là code bí mật ñược phủ lên P- code gọi là kỹ thuật AS (Antin - Spoofing)

Người ta ước lượng ñộ chính xác ñịnh vị cỡ 1% bước sóng của tín hiệu Như vậy ngay khi sử dụng code thô C/A ñể ñịnh vị thì có thể ñạt tới ñộ chính xác

cỡ 3m Chính vì thế phía Mỹ chủ ñộng làm nhiễu tín hiệu ñể hạ thấp ñộ chính xác ñịnh vị tuyệt ñối Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective Availability)

Do nhiễu SA khách hàng chỉ có thể ñịnh vị tuyệt ñối với ñộ chính xác cỡ 50 ÷ 100m Từ ngày 20 tháng 5 năm 2000 Mỹ ñã bỏ chế ñộ nhiễu SA (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

2 ðoạn ñiều khiển

Mục ñích trong phần này là kiểm soát vệ tinh ñi ñúng hướng theo quỹ ñạo

và thông tin thời gian chính xác

Có 5 trạm ñiều khiển ñặt trên mặt ñất gồm: ở Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương), MCS (Master Control Station) gần Colorado Spring

Trạm ñiều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) ñặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Spring

Các trạm theo dõi ñặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (ðại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn ðộ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) có nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát ñược Số liệu quan sát ñược ở các trạm này ñược chuyển về trạm ñiều khiển ở trung tâm,

tại ñây việc tính toán số liệu ñược thực hiện và cuối cùng các thông tin ñạo hàng

cập nhật ñược chuyển lên các vệ tinh ñể sau ñó từ vệ tinh chuyển ñến các máy thu của người sử dụng Như vậy vai trò của ñoạn ñiều khiển là rất quan trọng vì

nó không chỉ theo dõi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật ñể chính xác hoá các thông tin ñạo hàng ñảm bảo ñộ chính xác cho công tác ñịnh vị bằng hệ thống

GPS (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

Hình 1.3 Các trạm ñiều khiển GPS

3 ðoạn người sử dụng

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

- Phần cứng là các máy ño có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh ñể rút ra trị ño

khoảng cách từ máy thu ñến vệ tinh và tọa ñộ vệ tinh ở thời ñiểm ño

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

- ðoạn sử dụng bao gồm các máy móc, thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh ñể khai thác sử dụng cho các mục ñích và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như: Dẫn ñường trên biển, trên không, trên ñất liền và phục vụ cho công tác ño ñạc ở nhiều nơi trên thế giới (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

Hình 1.4 Các thành phần chính của GPS

1.2.2 Các ñại lượng ño GPS

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

cơ bản, ñó là ño khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và code) và ño pha của sóng tải (L1, L2)

P-1.2.2.1 ðo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

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

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

Hình 1.5 Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm

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

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

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

ñược là R, ta có phương trình:

Trong ñó, c là tốc ñộ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật ño khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách tương ứng khoảng 30m Nếu tính ñến ảnh hưởng của ñiều kiện lan truyền tín hiệu, sai số ño khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100m

là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự ñược khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến mức có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp

sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng ñại trà Chính vì lý do này mà trước ñây Chính phủ Mỹ ñã ñưa ra giải pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật ño GPS có thể khắc phục ñược nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000

(ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

t c z z y

y x

x t

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu ñược

1.2.2.2 ðo pha sóng tải

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

Khi ñó ta có thể viết:

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

λ là bước sóng của sóng tải;

N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R;

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

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

phải xác ñịnh trong thời gian ño

Trong trường hợp ño pha theo sóng tải L1 có thể xác ñịnh khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ñộ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2cho ñộ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ñáng kể tầng ñiện ly và việc xác ñịnh số nguyên ña trị ñược

ñơn giản hơn (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

Hình 1.6 Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

)(

2

t c N

1.2.3 Các phương pháp ựịnh vị GPS

1.2.3.1 định vị tuyệt ựối

Nguyên lý ựịnh vị tuyệt ựối

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

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

từ các ựiểm ựã biết tọa ựộ là các vệ tinh

Nếu biết chắnh xác khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ựến máy thu, ta sẽ tắnh ựược khoảng cách chắnh xác giữa vệ tinh

và máy thu Khi ựó 3 khoảng cách ựược xác ựịnh ựồng thời từ 3 vệ tinh ựến máy thu sẽ cho ta vị trắ không gian ựơn trị của máy thu Song trên thực tế cả ựồng hồ trên vệ tinh và ựồng hồ trong máy thu ựều có sai số, nên khoảng cách ựo ựược không phải là khoảng cách chắnh xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ựiểm, nghĩa là không thể xác ựịnh ựược vị trắ của máy thu để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ựại lượng ựo nữa, ựó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:

(xs 1 - x) 2 +(ys 1 - y) 2 +(zs 1 - z) 2 = (R1-c∆t) 2

(xs 2 - x) 2 +(ys 2 - y) 2 +(zs 2 - z) 2 = (R2-c∆t) 2

(xs 3 - x) 2 +(ys 3 - y) 2 +(zs 3 - z) 2 = (R3-c∆t) 2

(xs 4 - x) 2 +(ys 4 - y) 2 +(zs 4 - z) 2 = (R4-c∆t) 2

Với 4 phương trình 4 ẩn số (x, y, z, ∆t) ta sẽ tìm ựược nghiệm là tọa ựộ

tuyệt ựối của máy thu, ngoài ra còn xác ựịnh thêm ựược số hiệu chỉnh của ựồng

hồ (thạch anh) của máy thu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ựộng ựầy ựủ như hiện nay, số lượng

vệ tinh mà các máy thu quan sát ựược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ựó nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất (đặng Nam Chinh

và đỗ Ngọc đường, 2012)

(1.3)

Hình 1.7 Kỹ thuật ñịnh vị tuyệt ñối ðịnh vị vi phân ( DGPS )

Phần lớn khách hàng sử dụng máy thu GPS thường có nhu cầu ñịnh vị với

ñộ chính xác từ cỡ ñềximét ñến vài chục mét Nhưng với chế ñộ can thiệp SA thì

hệ thống GPS chỉ cho ñộ chính xác ñịnh vị hạn chế cỡ 100 m ðể tháo gỡ sự hạn chế này, giới kỹ thuật và các nhà sản xuất máy thu GPS ñã ñưa ra một phương pháp ño ñược gọi là ño GPS vi phân

Theo phương pháp này chỉ cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến ñược ñặt tại ñiểm có tọa ñộ ñã biết (gọi là ñiểm cố ñịnh), ñồng thời

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

Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa ñộ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai này ñòi hỏi máy thu

cố ñịnh có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho phép người sử dụng

xử lý chủ ñộng linh hoạt hơn

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

- Phương pháp xử lý ñồng thời

- Phương pháp hậu xử lý

ðể ñảm bảo ñộ chính xác, các máy di ñộng không nên ñặt quá xa máy cố ñịnh, ñể ñảm bảo giá trị nhiễu là như nhau ðồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải xác ñịnh và chuyển phát nhanh với tần số cao ðộ chính xác của phương pháp này ñạt tới mét, thậm chí vài ñềximét (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.2.3.2 ðịnh vị tương ñối

Nguyên lý ñịnh vị tương ñối

ðịnh vị GPS tương ñối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS ñặt ở hai ñiểm quan sát khác nhau ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ vuông góc không gian (∆X,

∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa ñộ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa ñộ

WGS-84 Nguyên tắc ño GPS tương ñối ñược thực hiện trên cơ sở sử dụng ñại lượng

ño là pha của sóng tải ðể ñạt ñược ñộ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác ñịnh hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm xét, người ta ñã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ñến các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của ñồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,

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

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

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

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

Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát ñồng thời hai vệ tinh j và k vào thời ñiểm ti, ta có phân sai bậc hai:

∆2Φj,k (ti)= ∆1Φk (ti)- ∆1Φj (ti) (1.5)

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

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

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

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

Tại mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ño, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong ño tương ñối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm là rất lớn, khi ñó bài toán sẽ giải theo phương pháp số

bình phương nhỏ nhất (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

Hình 1.8 Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối Các phương pháp ñịnh vị GPS tương ñối

1.ðo tĩnh

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

hai máy cần phải ñồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất ñịnh, thường từ 60 phút ñến vài ba tiếng ñồng hồ Số

vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là 4 vệ tinh Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là ñủ ñể cho ñồ hình phân bố vệ tinh thay ñổi mà từ ñó ta

có thể xác ñịnh ñược số nguyên ña trị của sóng tải và ñồng thời là ñể có nhiều trị

ño nhằm ñạt ñộ chính xác cao và ổn ñịnh cho kết quả giám sát

Trong ño tĩnh cần chú ý ñến công tác bố trí các ca ño Khoảng thời gian quan trắc của các máy thu ñược gọi là ñộ dài ca ño

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

- ðộ chính xác của lưới cần thành lập

- ðộ dài cạnh ño

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- ðộ ổn ñịnh của tín hiệu vệ tinh ño ñược

Thông thường khi vệ tinh càng nhiều thì cấu hình càng tốt và thời gian quan trắc có thể rút ngắn hơn Thời gian quan trắc cũng có thể rút ngắn ñối với cạnh có chiều dài ngắn hơn

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

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

2.ðo ñộng

Phương pháp ño ñộng cho phép xác ñịnh vị trí tương ñối của hàng loạt ñiểm so với ñiểm ñã biết, trong ñó tại mỗi ñiểm ño chỉ cần thu tín hiệu trong một vài phút Theo phương pháp này cần có ít nhất 2 máy thu ðể xác ñịnh số nguyên

ña trị của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh ñáy ñã biết gối lên hai ñiểm ñã biết tọa ñộ Sau khi ñã xác ñịnh, số nguyên ña trị ñược giữ nguyên ñể tính khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu cho các ñiểm ño tiếp cho cả chu kỳ ño Nhờ vậy thời gian thu tín hiệu thời ñiểm ño không phải là một tiếng ñồng hồ trong ño tĩnh nữa mà chỉ cần một vài phút trong phương pháp ño này

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

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

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

Phương pháp ño ñộng cho ñộ chính xác không thua kém so với phương pháp ño tĩnh Song nó lại ñòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết kế và tổ chức ño ñể ñảm bảo yêu cầu về ñồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh (ðặng Nam Chinh

Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có ñộ chính xác cao, tính ñồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano

giây Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao (1 phần 104) ñặt bên trong

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

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

Với ảnh hưởng như trên, người ta ñã sử dụng nguyên tắc ñịnh vị tương ñối ñể loại trừ ảnh hưởng của sai số ñồng hồ (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.2.4.2 Sai số quỹ ñạo vệ tinh

Chúng ta ñã biết vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo xung quanh trái ñất chịu nhiều sự tác ñộng như ảnh hưởng của sự thay ñổi trọng trường trái ñất, ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác ñộng tới quỹ ñạo của

vệ tinh, khi ñó vệ tinh sẽ không chuyển ñộng hoàn toàn tuân theo ñúng 3 ñịnh luật Kepler Sai số quỹ ñạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn ñến kết quả ñịnh vị tuyệt ñối, song ñược khắc phục về cơ bản trong ñịnh vị tương ñối hoặc vi phân

ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể căn

cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:

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

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên 5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

- Lịch vệ tinh chính xác: ðược lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trong mạng lưới giám sát và ñược tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch này cho sai số nhỏ hơn 0,5m (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.2.4.3 Sai số tầng ñiện ly và tầng ñối lưu

Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn 20.000km, trong ñó có tầng ñiện ly từ ñộ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị thay ñổi (tán xạ)

phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt ñộ và các bụi khí quyển trong tầng ñối lưu

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

số khoảng 3m

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

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

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

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

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

hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.2.4.4 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 ñiện từ khác

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

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

ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế ñiểm ño cần bố trí xa các trạm phát sóng, các ñường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các rặng cây (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.2.4.5 Sai số do người ño

Người ño có thể phạm các sai lầm như: trong ño chiều cao anten, dọi ñiểm ñịnh tâm không tốt, ñôi khi ghi nhầm chế ñộ ño cao anten ðể tránh các sai số này thì người ño GPS cần thận trọng trong ñịnh tâm và ño chiều cao anten

Cần chú ý là sai số do ño chiều cao anten không những ảnh hưởng tới ñộ cao của ñiểm ño mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

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

cho máy (ðặng Nam Chinh và ðỗ Ngọc ðường, 2012)

1.3 Ứng dụng hệ thống ñịnh vị toàn cầu trên thế giới và tại Việt Nam

1.3.1 Trên thế giới

Ứng dụng công nghệ GPS ñể xây dựng các mạng lưới khống chế trắc ñịa

ñã ñược ứng dụng phổ biến, ñại trà trong sản xuất, ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật ño tương ñối tĩnh, người ta có thể xây dựng ñược các mạng lưới có cạnh dài ñến hàng nghìn mét Các mạng lưới của từng quốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới

Ứng dụng phổ biến của công nghệ GPS là ño nối mạng lưới tọa ñộ quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ tọa ñộ trắc ñịa toàn cầu WGS-84, hoàn chỉnh các mạng lưới tọa ñộ quốc gia ñã xây dựng bằng công nghệ truyền thống, tăng dày các mạng lưới tọa ñộ, xây dựng các mạng lưới mới Công nghệ GPS ñã giúp tạo mối liên kết giữa nhiều quốc gia thông qua việc sắp ñặt các tham số tính chuyển giữa các hệ tọa ñộ quốc gia và hệ tọa ñộ trắc ñịa toàn cầu WGS-84 Hiện nay ñã xác lập ñược sự chuyển ñổi liên hệ giữa 185 hệ tọa ñộ của các quốc gia khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84

Công nghệ GPS ứng dụng ñể xây dựng lưới trắc ñịa ñã ñược nhiều quốc gia ứng dụng thành công từ lâu Dưới ñây là một số thành quả của việc ứng dụng công nghệ GPS của một số nước trong khu vực Châu Á – Thái Bình Dương, những quốc gia gần gũi với Việt Nam về vị trí ñịa lý và trình ñộ phát triển về ño ñạc bản ñồ

- Ở Inñônêxia:

Công nghệ GPS ñã ñược ứng dụng trong các lĩnh vực thành lập lưới khống chế mặt bằng quốc gia, ño ñạc thành lập bản ñồ ñịa chính, ño ñạc biển, nghiên cứu ñịa ñộng học, quản lý ñất ñai, trắc ñịa ảnh hàng không, ñạo hàng và giao thông, nghiên cứu tầng ñiện ly, xác ñịnh ñộ cao chính và trọng lực hàng không Bằng công nghệ GPS, Inñônêxia ñã xây dựng trong các năm 1992 – 1993 một mạng lưới cấp “0” ( Zero order GPS Control network) gồm 60 ñiểm rải ñều trên các

ñảo lớn của ñất nước Lưới cấp “0” này ñược bình sai trong hệ quy chiếu mặt ñất quốc tế 91 (ITRF) và chuyển về hệ WGS-84 ðộ chính xác ñạt từ 0,01÷0,1 ppm Lưới cấp “0” là cơ sở ñể phát triển lưới hạng I cũng ñược thành lập bằng công nghệ GPS Các ñiểm hạng I ñược ñặt trên từng huyện, ñến nay ñã xây dựng xong

252 ñiểm trên các ñảo lớn như: Sumatra – 40 ñiểm; Sulaweisi – 36 ñiểm; Kalimantan – 26 ñiểm và 150 ñiểm ở các ñảo Java, Timor, Nusa, Tengara ðộ chính xác cạnh hạng I ñạt từ 0,1÷2 phần triệu (ppm)

- Ở Australia:

Công nghệ GPS ở nước này ñã ñược ứng dụng ñể thành lập 09 ñiểm phủ trùm lãnh thổ, các ñiểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Australia Lưới chuẩn này ñã ñược tăng dày bởi 60 ñiểm GPS tạo thành lưới quốc gia Australia

Mạng lưới GPS ñã ñược sử dụng ñể kiểm tra, nâng cao ñộ chính xác các mạng lưới tọa ñộ hạng I, II, III của Australia và bình sai chung mạng lưới GPS

và mạng lưới mặt ñất ñã thiết lập hệ tọa ñộ mới của Australia

- Ở Hilap: Từ năm 1989 ñến năm 1993 ñã thành lập mạng lưới GPS gồm

66 ñiểm sử dụng 10 ñến 14 máy thu GPS của các hang LEICA, TRIMBLE và ASHTECH

Ngoài ra, công nghệ GPS cũng ñã ñược ứng dụng ñể xây dựng các mạng lưới cấp “0” như ở Latvia, Ba Lan; Mạng lưới cơ sở vùng biên giới Irắc-Côoet và

nhiều nước khác trên thế giới (Bùi ðức Tuệ, 2015)

1.3.2 Tại Việt Nam

1 Giai ñoạn 1991-1994

+ Từ năm 1991-1993: Xây dựng lưới ở Minh Hải (15 ñiểm với chiều dài trung bình 25 km), xây dựng lưới ở Sông Bé (34 ñiểm chiều dài 27 km), xây dựng lưới ở Tây Nguyên (65 ñiểm chiều dài 30 km) Xây dựng lưới GPS cạnh ngắn có ñộ chính xác hạng II cho một số vùng ở miền Nam

+ Năm 1992: Xây dựng lưới trắc ñịa biển bằng công nghệ GPS gồm 36 ñiểm trong ñó có 18 ñiểm trên quần ñảo Trường Sa

+ ðo nối lưới GPS cạnh dài gồm 10 ñiểm trùng với lưới mặt ñất ñã xây dựng

2 Giai ựoạn 1995 -2000: Xây dựng lưới cấp Ộ0Ợ

+ 1995: Xây dựng lưới cấp Ộ0Ợ gồm 69 ựiểm có 56 ựiểm trùng với hạng I,

II cũ và phân bố ựều trên lãnh thổ Việt Nam

+ 1997: đo 8 ựiểm cấp Ộ0Ợ theo phương pháp ựo tuyệt ựối nhằm kiểm tra chất lượng lưới cấp Ộ0Ợ

+ 1998: đo bổ sung 40 ựiểm cấp Ộ0Ợ đo nối ựộ cao thủy chuẩn hạng I, II phục

vụ ựịnh vị Elipxoid thực dụng và xây dựng mô hình Geoid cục bộ của Việt Nam

+ Năm 1999: Chọn Ellipsoid WGS -84 là Ellipsoid thực dụng của Việt Nam

và ựịnh vị với ựiểm gốc N0 nằm tại viện nghiên cứu ựịa chắnh (nay là viện khoa học

ựo ựạc và bản ựồ) trên ựường Hoàng Quốc Việt, TP Hà Nội và 25 ựiểm cấp Ộ0Ợ

+ Xây dựng hệ thống DGPS/CORS

Bộ Quốc Phòng xây dựng 6 trạm cơ sở cố ựịnh gồm có 2 chức năng:

- DGPS: Phát ựi số cải chắnh ựể nâng cao ựộ chắnh xác ựịnh vị và dẫn ựường cho các phương tiện di ựộng

- CORS: đo liên tục ựể phục vụ cho nghiên cứu khoa học và khảo sát ựo ựạc Hiện nay có 4 trạm: Phú Quốc, đà Nẵng, Móng Cái và đảo Trường Sa lớn ựang hoạt ựộng Trạm Cửa Lò và Cam Ranh ựã có chủ trương xây dựng

- Từ năm 1996 ựến nay tham gia xây dựng lưới trắc ựịa khu vực Châu Thái Bình Dương

Á Tham gia xây dựng lưới ựịa ựộng lực Nam Ờ đông Nam Á nhằm xác ựịnh chuyển ựộng và biến dạng của vỏ trái ựất ở khu vực Việt Nam có 2 ựiểm là CAMP (Cẩm Phả - Quảng Ninh) và NONN (Ngũ Hành Sơn Ờ đà Nẵng)

vệ tinh ðể có thể tiến hành công tác ño ñộng thuận lợi nên tiến hành khảo sát thực ñịa khu ño trước khi ño Phương pháp này rất phù hợp trong ño vẽ vùng thổ canh (trồng lúa, cà phê, hạt tiêu…)

ðo vẽ chi tiết bằng công nghệ GPS ñộng cho phép ta chủ ñộng quá trình

ño, tính và vẽ bản ñồ (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)

1.4 Xây dựng lưới khống chế ño vẽ

1.4.1 Khái niệm, yêu cầu thiết kế lưới khống chế ño vẽ

a) Khái niệm về lưới khống chế ño vẽ

Lưới khống chế ño vẽ là lưới ñược lập nhằm tăng dày thêm các ñiểm tọa

ñộ ñể ñảm bảo cho việc lập bản ñồ ñịa chính bằng phương pháp ño vẽ trực tiếp tại thực ñịa hoặc tăng dày ñiểm khống chế ảnh ñể ño vẽ bổ sung ngoài thực ñịa khi lập bản ñồ ñịa chính bằng phương pháp ảnh hàng không kết hợp ño vẽ trực tiếp ngoài thực ñịa

Lưới khống chế ño vẽ bao gồm: lưới khống chế ño vẽ cấp 1 và cấp 2 Các phương pháp ño vẽ là các phương pháp truyền thống, ño ñạc bằng các máy toàn ñạc ñiện tử và phương pháp trắc ñịa vệ tinh sử dụng các máy ño GPS (Bộ Tài nguyên

và Môi trường, 2014)

b) Yêu cầu thiết kế lưới khống chế ño vẽ

Lưới khống chế ño vẽ thành lập bản ñồ ñịa chính ñược ño bằng công nghệ GPS với ñộ chính xác cao Xây dựng lưới khống chế ño vẽ cần tuân thủ một số yêu cầu sau:

Lưới khống chế ño vẽ cấp 1 ñược phát triển dựa trên tối thiểu 2 ñiểm tọa

ñộ có ñộ chính xác tương ñương ñiểm ñịa chính trở lên Lưới khống chế ño vẽ cấp 2 ñược phát triển dựa trên tối thiểu 2 ñiểm tọa ñộ có ñộ chính xác tương ñương ñiểm khống chế ño vẽ cấp 1 trở lên Lưới khống chế ño vẽ ño bằng công nghệ GPS ñược phát triển dựa trên tối thiểu 3 ñiểm tọa ñộ có ñộ chính xác tương ñương ñiểm ñịa chính trở lên

ðể ño vẽ bản ñồ ñịa chính tỷ lệ 1/10.000, 1/5.000, 1/2.000, 1/1.000 ñược lập thêm các ñiểm trạm ño từ lưới khống chế ño vẽ ñể ño hết khu vực ño vẽ, nhưng sai số trung phương vị trí ñiểm sau bình sai không quá 0,1 mm theo tỷ lệ bản ñồ cần lập so với ñiểm gốc

Các ñiểm khống chế ño vẽ tuỳ theo yêu cầu cụ thể có thể chôn mốc tạm thời hoặc cố ñịnh, lâu dài ở thực ñịa

Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản chung của lưới khống chế ño vẽ STT Tiêu chí ñánh giá chất lượng lưới khống chế ño vẽ

2 Sai số trung phương tương ñối cạnh sau bình sai ≤1/25.000 ≤ 1/10.000

3 Sai số khép tương ñối giới hạn ≤ 1/10000 ≤ 1/5.000

(Nguồn: Thông tư số 25/2014/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường)

- ðo bằng công nghệ GPS ñể thành lập lưới khống chế ño vẽ quy ñịnh:

+ Thời gian ño ngắm ñồng thời tối thiểu: 30 phút + Số lượng vệ tinh khỏe liên tục tối thiểu: 5 vệ tinh + PDOP chọn khi ño lớn nhất không quá: 4.0 + Góc ngưỡng vệ tinh là: 150.(Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014)

1.4.2 Quy trình xây dựng lưới khống chế ño vẽ

1.4.2.1 Thiết kế

Khi thiết kế lưới khống chế ño vẽ phải quy ñịnh các chỉ tiêu kỹ thuật chính của lưới trong thiết kế kỹ thuật - dự toán hoặc phương án thi công Việc thiết kế lưới dược tiến hành trên bản ñồ, với các yêu cầu như:

- Các ñiểm phân bố ñều trong toàn bộ khu ño

- Các ñiểm mốc phải ñược thiết kế nơi có vị trí thuận lợi, bao quát ñược ñịa hình xung quanh

- Tại mỗi ñiểm mốc phải cần thông hướng ñến các ñiểm lân cận

1.4.2.2 Khảo sát thực ñịa

Căn cứ vào kết quả thiết kế trên bản ñồ, tiến hành khảo sát thực ñịa Mục ñích của quá trình này:

- Kiểm tra, ñối soát phương án thiết kế với tình hình thực tế

- ðiều chỉnh phương án thiết kế cho sát với yêu cầu và ñiều kiện thực tế

1.4.2.3 chôn mốc, ñánh dấu ñiểm

Sử dụng phương án thiết kế và kết quả quá trình khảo sát thực ñịa ñể bố trí mạng lưới ra ngoài thực ñịa Các ñiểm khống chế ño vẽ tuỳ theo yêu cầu cụ thể

có thể chôn mốc tạm thời hoặc cố ñịnh, lâu dài ở thực ñịa Nếu chôn mốc cố ñịnh, lâu dài ở thực ñịa thì quy cách mốc thực hiện theo quy ñịnh tại Phụ lục số

06 Thông tư số 25/2014/TT-BTNMT và phải quy ñịnh rõ trong thiết kế kỹ thuật -

dự toán công trình Nếu chôn mốc tạm thời thì mốc phải ñảm bảo ñể tồn tại ñến khi kết thúc công trình (sau kiểm tra, nghiệm thu bản ñồ ñịa chính) Yêu cầu các ñiểm mốc phải ñặt ở nơi có nền ñất ổn ñịnh, tầm bao quát tốt Các ñiểm mốc cần ñặt tại những vị trí thông hướng với nhau ñể thuận lợi cho công tác ño vẽ chi tiết

sau này (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014 )

1.4.2.4 Công tác ño ñạc lưới

Công tác ño ñạc lưới khống chế ño vẽ có thể ñược tiến hành bằng máy toàn ñạc ñiện tử, kinh vĩ ñiện tử và ño bằng công nghệ GPS ño tĩnh, ño tĩnh nhanh hoặc ño ñộng

1.4.2.5 Bình sai, tính toán tọa ñộ mạng lưới

Thành quả ño ñạc, tính toán và bình sai khi lập lưới ño vẽ gồm: bảng tọa

ñộ vuông góc phẳng; sơ ñồ lưới, kết quả ñánh giá ñộ chính xác (Bộ Tài nguyên

và Môi trường, 2014)

1.5 Giới thiệu chương trình bình sai, ñánh giá ñộ chính xác lưới GPS bằng phần mềm Trimble Business Center (TBC)

1.5.1 Khái quát phần mềm Trimble Business Center (TBC )

Trimble Business Center là một phần mềm chuyên nghiệp, phục vụ ña mục

ñích, việc xử lý ñem lại kết quả khả quan, trong ñó có các modul xử lý số liệu GPS tĩnh phục vụ công tác xây dựng lưới khống chế một cách nhanh chóng và tiện lợi,

có thể xử lý số liệu hàng nghìn ñiểm chỉ trong vòng một thời gian ngắn

Giao diện ñồ họa của Trimble Business Center bao gồm giao diện chính với các chức năng như các thanh trình ñơn (Menu), các phím tắt trên thanh trình ñơn và các thanh công cụ (Toolbar) cũng như một số tính năng ñặc biệt Nói chung giao diện ñồ họa bao gồm 6 phần, thanh trình ñơn (Menucommands), thanh công cụ (Toobar), thanh dự án (Projectbar), cửa sổ dự án (Project window), thanh trạng thái (status bar) và cửa sổ ñầu ra(output window)

Giao diện ñồ hoạ của Trimble Business Center như sau:

Phần mềm cung cấp các tính năng mới rất mạnh, ñộc ñáo và ñặc biệt rất thân thiện với người dùng và do ñó rất dễ học và sử dụng Phần mềm TBC có hai phiên bản: Survey Standard (chuẩn) và Survey Advanced (nâng cao)

Mô-ñun Survey Advanced xử lý các cạnh L1 GPS, L2 GPS và GLONASS

và các bình sai các vec-tơ L1, L2 và GLONASS Nó cho phép xử lý cạnh và bình sai lưới nâng cao

Mô-ñun Survey Standard chỉ xử lý cạnh L1 GPS và bình sai các vec-tơ L1

làm việc

Thanh Trạng Thái

Thanh Dự án

Nó cung cấp công cụ xử lý cạnh và bình sai lưới cơ bản (Tài liệu internet – Giới

thiệu phần mềm Trimble Business Center, 2011)

1.5.2 Quy trình hoạt ñộng của phần mềm Trimble Business Center (TBC)

Sơ ñồ dưới ñây thể hiện nguyên tắc hoạt ñộng của Trimble Business Center:

Lựa chọn phép chiếu và hệ tọa ñộ

Thực hiện chuyển ñổi và hiệu chỉnh tọa ñộ

Lập báo cáo kỹ thuật

Xuất dữ liệu