ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu thành lập lưới khống chế đo vẽ xã xuân hương, huyện lạng giang, tỉnh bắc giang

Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau: Có thể xác định tọa độ của các điể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

NGUYỄN NHƯ SÁNG

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU THÀNH LẬP

LƯỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ XÃ XUÂN HƯƠNG,

HUYỆN LẠNG GIANG, TỈNH BẮC GIANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

NGUYỄN NHƯ SÁNG

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU THÀNH LẬP

LƯỚI KHỐNG CHẾ ĐO VẼ XÃ XUÂN HƯƠNG,

HUYỆN LẠNG GIANG, TỈNH BẮC GIANG

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI

MÃ SỐ : 06 85 01 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS LÊ MINH TÁ

HÀ NỘI, NĂM 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Nội dung đề tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được 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 đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày …… tháng … năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Như Sáng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Ban giám đốc Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam, Khoa Quản lý đất đai, cùng quý Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Học viện

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

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Chi nhánh công ty cổ phần tư vấn dịch vụ và thương mại nông nghiệp Phương Bắc nơi tôi tham gia trong suốt quá trình xây dựng lưới; cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề 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 được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày…….tháng…… năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Như Sáng

MỤC LỤC

1.1.1 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ truyền thống 4 1.1.2 Các hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS 5 1.1.3 Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ bằng công nghệ GPS 8 1.2 Khái quát chung về hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 9

1.3 Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu trên Thế giới và ở tại Việt Nam 25

1.4 Xây dựng lưới khống chế đo vẽ bằng công nghệ đo GPS 29

1.5 Giới thiệu chương trình bình sai, đánh giá độ chính xác lưới GPS bằng

1.5.1 Giới thiệu chung về phần mềm Trimble Total Control 30 1.5.2 Quy trình hoạt động của phần mềm Trimble Total Control trong

2.3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu đo xã Xuân Hương 33 2.3.2 Thiết kế, chọn điểm, đóng cọc, đo đạc, tính toán, bình sai, đánh giá độ chính xác kết quả đo, kiểm tra nghiệm thu thành quả đo đạc 33 2.3.3 Khả năng ứng dụng công nghệ GPS ở vùng trung du, đồi núi khi

2.4.1 Phương pháp điều tra, thu thập tài liệu, số liệu 33 2.4.2 Phương pháp xây dựng lưới khống chế đo vẽ theo phương pháp

2.4.5 Phương pháp tổng hợp, phân tích, so sánh 34

3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của khu đo xã Xuân Hương 36

3.1.2 Thu thập các loại tư liệu, tài liệu trắc địa và bản đồ của xã

3.2 Thiết kế, chọn điểm, đóng cọc, đo đạc, tính toán, bình sai, đánh giá độ

chính xác kết quả đo, kiểm tra nghiệm thu thành quả đo đạc 413.2.1 Các văn bản áp dụng trong thiết kế xây dựng lưới 41

3.2.2 Thiết kế lưới, chọn điểm, đóng cọc 42

3.2.7 Kết quả bình sai và đánh giá độ chính xác lưới GPS 65

3.3 Khả năng ứng dụng của công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới đo vẽ

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

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

và thời gian

Reference Variance : Độ chênh lệch tham khảo

VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

Độ suy giảm chính xác theo phương dọc

X, Y, h : Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn

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

DANH MỤC BẢNG

Số bảng Tên bảng Trang

1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản chung của lưới khống chế đo vẽ 30

DANH MỤC HÌNH

Số hình Tên hình Trang 1.1 Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS 9

1.3 Các trạm điều khiển GPS 12

1.4 Các thành phần chính của GPS 13

1.5 Xác định hiệu số giữa các thời điểm 14

1.6 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu 16

1.7 Kỹ thuật định vị tuyệt đối 17

1.8 Kỹ thuật định vị tương đối 20

1.9 Giao diện phần mềm Total Trimble Control 31

1.10 Quy trình họat động của Trimble Total Control 32

3.1 Modul lập lịch đo trong Trimble Total Control 45

3.2 Cài đặt các thông số lập lịch đo 46

3.12 Cửa sổ lựa chọn vệ tinh giải cạnh 59

3.13 Lập báo cáo sai số khép vòng 60

3.15 Lập báo cáo kết quả bình sai tự do 62

3.16 Lập báo cáo kết quả bình sai với số liệu gốc trong hệ tọa độ WGS-84 63

3.17 Bình sai lưới với tọa độ gốc trong hệ tọa độ địa phương 64

3.18 Cửa sổ kết quả bình sai lưới 64

3.19 Cửa sổ biên tập kết quả bình sai GPS 65

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên, tài sản quốc gia quý báu, là địa bàn để phân bố dân cư và các hoạt động kinh tế, xã hội quốc phòng, an ninh; là nguồn nội lực để xây dựng và phát triển bền vững quốc gia Khảo sát, đo đạc, lập bản đồ địa chính là một trong những nội dung quản lý nhà nước về đất đai đã được ghi tại khoản 3, Điều 22 của Luật đất đai 2013 Nội dung chức năng, nhiệm

vụ, quyền hạn của các cấp, các ngành trong việc thực hiện khảo sát, đo đạc, lập

và quản lý bản đồ địa chính đã được quy định tại Điều 23 của Luật đất đai 2013 Căn cứ Luật đất đai năm 2013, Nghị định 43/2014/NĐ-CP ngày 15 tháng

05 năm 2014 của Chính phủ quy định chi tiết thi hành một số điều của Luật Đất đai; Căn cứ Nghị định số 21/2013/NĐ-CP ngày 04 tháng 03 năm 2013 của Chính Phủ quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Bộ Tài nguyên và Môi trường; Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành Thông tư số 25/2014/TT-BTNMT ngày 19/05/2014 về quy định các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của việc lập, chỉnh lý, quản lý, sử dụng bản đồ địa chính và trích đo địa chính thửa đất thay thế Quy phạm thành lập bản đồ địa chính trước đây

Ở Việt Nam công tác quản lý đất đai ngày càng được coi trọng Để làm tốt công tác này cần phải xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu địa chính hoàn chỉnh, thống nhất và cập nhật Để làm được điều đó cần phải thành lập bản đồ địa chính

số có độ chính xác cao, áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật hiện đại và các thiết bị hiện đại

Công tác đo đạc bản đồ được chúng ta thực hiện từ rất lâu đời, ban đầu chỉ

sử dụng các dụng cụ thô sơ và những phép tính đơn giản để đo vẽ, thành lập bản

đồ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học, ngành trắc địa cũng phát triển nhanh tróng và đạt được những thành tựu khoa học đáng

kể Trong đó công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính được áp dụng nhiều công nghệ, máy móc hiện đại như: Máy kinh vĩ, máy toàn đạc điện tử, các phần mềm ứng dụng xử lý trên máy tính…

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng các

vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu thập kỷ

70 Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã được thương mại hóa, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội đã và đang áp dụng công nghệ GPS 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 mạng lưới tọa độ các cấp Với ngành trắc địa bản đồ thì đây 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 định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau: Có thể xác định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng; độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, việc xác định tọa

độ các điểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở bất kỳ vị trí nào nếu thu được tín hiệu vệ tinh trên trái đất; Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa phương bất kỳ

Huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang những năm qua có tốc độ phát triển kinh tế tương đối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quản lý đất đai của huyện là thành lập bản đồ địa chính (BĐĐC) có độ chính xác cao Hiện nay đã xây dựng xong mạng lưới địa chính huyện Lạng Giang và đang tiến hành đo vẽ bản đồ địa chính trong toàn huyện theo quy phạm thành lập bản đồ địa chính năm 2014 Tuy nhiên ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới khống chế đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa chính chưa được các cấp quan tâm đúng mức và chưa có các quy định chi tiết

Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công nghệ mới vào công tác đo vẽ thành lập bản đồ địa chính, dưới sự hướng dẫn của TS

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

“Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu thành lập lưới khống chế đo vẽ xã Xuân Hương, huyện Lạng Giang, tỉnh Bắc Giang”

2 Mục đích của đề tài

Ứng dụng công nghệ đo GPS tĩnh nhanh để xây dựng lưới khống chế đo vẽ phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại xã Xuân Hương, huyện Lạng Giang

3 Yêu cầu của đề tài

- Lưới khống chế đo vẽ phải đảm bảo đủ mật độ điểm và độ chính xác để thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ lớn nhất 1/1000 cho khu đo

- Lưới khống chế đo vẽ phải đảm bảo đủ các cặp thông hướng phù hợp với địa hình và công tác đo vẽ chi tiết thành lập bản đồ địa chính cho khu đo

- Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng lưới tuân theo các quy định 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 điểm được đánh dấu chắc chắn trên mặt đất, giữa chúng liên kết với nhau bởi các điều kiện hình học và các điều kiện toán học chặt chẽ, được xác định trong cùng một hệ thống tọa độ thống nhất với độ chính xác cần thiết, làm cơ sở phân bố chính xác các yếu tố nội dung bản đồ và hạn chế sai số tích lũy (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

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

1.1.1.1 Lưới tam giác

* Lưới tam giác đo góc

Lưới tam giác đo góc được xây dựng đầu tiên trên thế giới ở Hà Lan năm

1916 nửa đầu thế kỷ XX, hầu hết các nước đều xây dựng lưới tọa độ nhà nước theo phương pháp này Đồ hình cơ bản của lưới là hình tam giác, tứ giác trắc địa

và đa giác trung tâm (Lê Mạnh Hùng, 2013)

Trong lưới tam giác đo góc, người ta đo tất cả các góc do đó có nhiều trị

đo thừa kiểm tra Độ chính xác của lưới khá cao và đồng đều, hạn chế của lưới

đo góc là độ chính xác các yếu tố trong lưới phụ thuộc nhiều vào đồ hình lưới, đồng thời phải đòi hỏi phải thông hướng đến nhiều điểm khác, do đó công việc chọn điểm rất khó khăn và phải xây dựng cột tiêu với chi phí lớn (chiếm 70% kinh phí xây dựng lưới) (Lê Mạnh Hùng, 2013)

* Lưới tam giác đo cạnh

Do sự phát triển của các máy đo khoảng cách điện tử người ta xây dựng lưới tam giác đo cạnh Trong lưới đo cạnh người ta đo tất cả các cạnh, chỉ đo nối phương vị đủ để bình sai lưới

Lưới đo cạnh có các ưu điểm là độ chính xác ít phụ thuộc vào đồ hình lưới, công tác ngoại nghiệp nhanh và ít chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh hơn lưới đo góc Hạn chế của lưới đo cạnh là ít trị đo thừa, không có điều kiện kiểm tra trị đo ở thực địa Trong một tam giác đo ba cạnh chỉ là trị đo vừa đủ, do

đó khi xây dựng lưới đo cạnh đồ hình cơ bản là tứ giác trắc địa và đa giác trung tâm (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

1.1.1.2 Lưới đường chuyền

Lưới đường chuyền gồm các điểm nối với nhau tạo thành các đường gấp khúc Đo tất cả các góc ngoặt và các cạnh trong lưới từ đó tính tọa độ cho tất cả các điểm (Lê Mạnh Hùng, 2013)

Lưới đường chuyền bao gồm nhiều đường chuyền liên kết với nhau tạo thành các điểm nút Lưới đường chuyền có ưu điểm là dễ chọn điểm, độ lớn của góc ngoặt có thể thay đổi không hạn chế cho nên đồ hình lưới bố trí rất linh hoạt Hạn chế của lưới đường chuyền là có ít trị đo thừa, kết cấu hình học không chặt chẽ bằng lưới đo góc (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

1.1.2 Các hệ thống định vị dẫn đường toàn cầu GNSS

1.1.2.1 Hệ thống định vị GLONASS

Từ năm 1976, Bộ quốc phòng Liên Xô (cũ) đã thiết kế xây dựng hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Global Orbitting Navigation Satellite System) Ngày 12 tháng 10 năm 1982 vệ tinh đầu tiên của GLONASS được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hệ thống GLONASS vẫn tiếp tục được duy trì và phát triển dưới

sự quản lý, bảo trì của bộ Quốc phòng Nga Tương tự như hệ thống GPS, GLONASS là hệ thống định vị toàn cầu quân sự (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)

Hệ thống GLONASS cũng được cấu thành bởi ba đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng GLONASS sử dụng hệ thống tọa độ PZ-09 và

hệ thống giờ UTC (SU) (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)

* Đoạn không gian

Theo thiết kế, đoạn không gian của hệ thống GLONASS bao gồm 24 vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo gần tròn Trên mỗi quỹ đạo có 8 vệ tinh, nghiêng so với mặt phẳng xích đạo 64,80 Độ cao của các vệ tinh là 19.100 km, do đó chu kỳ của vệ tinh là 11 giờ 15 phút

Hiện nay tuổi thọ của các vệ tinh GLONASS thế hệ mới đã kéo dài khoảng từ 7 đến 10 năm

* Đoạn điều khiển

Đoạn điều khiển của hệ thống GLONASS gồm năm trạm quan sát đặt trên lãnh thổ Nga, được liên kết chung với trạm điều khiển trung tâm SCC (System Control Centrer) đặt tại Moscova

* Đoạn sử dụng

Các máy thu của GLONASS được chia ra các máy thu đạo hàng sử dụng L1, C/A code và pha sóng tải Máy trắc địa sử dụng L1: C/A code, P code, pha sóng tải và L2: P code và pha sóng tải

1.1.2.2 Hệ thống định vị GALILEO

Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quân sự Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nếu như cơ quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ như SA của GPS Do vậy, liên minh Châu Âu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu Âu: Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành đưa vào sử dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm) (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

* Đoạn không gian

Đoạn không gian của GALILEO gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo, nghiêng 560 so với mặt phẳng xích đạo Với góc nghiêng như vậy, hệ thống sẽ phục vụ tốt cho vùng có độ vĩ cao là vùng của các nước Bắc Âu

* Đoạn điều khiển

GALILEO bao gồm một số trạm mặt đất nằm trên lãnh thổ châu Âu và các trạm ngoài châu Âu, có chức năng truyền thông tin và kiểm tra Đây là thành phần cần thiết để gửi và nhận thông tin từ các vệ tinh GALILEO phục

vụ kiểm tra và điều khiển

* Đoạn sử dụng

GALILEO bao gồm nhiều nhóm sử dụng với nhiều chủng loại máy thu,

mà mỗi loại đòi hỏi các thông tin khác nhau Để đáp ứng các yêu cầu, GALILEO sẽ thỏa mãn các dịch vụ khác nhau ở hai mức tiêu chuẩn

Hệ thống GALILEO không chỉ cung cấp các dịch vụ về định vị mà còn xác định thời gian chính xác (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

1.1.2.3 Hệ thống định vị COMPASS

Tương tự như các hệ thống định vị toàn cầu khác, COMPASS có cấu trúc gồm ba bộ phận: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)

* Đoạn không gian

Theo thiết kế, đoạn không gian của COMPASS/Beidou-2 bao gồm 27 vệ tinh ở quỹ đạo trung bình, 3 vệ tinh quỹ đạo nghiêng đồng bộ trái đất và 5 vệ tinh địa tĩnh Các vệ tinh địa tĩnh của hệ thống COMPASS/ Beidou-1 gồm 3 vệ tinh địa tĩnh được đưa lên quỹ đạo vào những năm 2000 và 2003

Từ năm 2007, chương trình xây dựng hệ thống định vị toàn cầu COMPASS/ Beidou-2 được triển khai Các vệ tinh địa tĩnh của hệ thống tiếp tục được đưa lên quỹ đạo Beidou-1D năm 2007 có vị trí quỹ đạo là 58,750 đông và

vệ tinh Beidou-1E có quỹ đạo là 1060 đông (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

* Đoạn điều khiển

Đoạn mặt đất bao gồm một trạm chủ, hai trạm điều khiển cập nhật và 30 trạm theo dõi Công nghệ đo khoảng cách laser đến vệ tinh MEO được áp dụng

để chính xác hóa quỹ đạo vệ tinh Hiện nay một số trạm mặt đất được trang bị thiết bị đo laser đến vệ tinh

* Đoạn sử dụng

Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu COMPASS và các máy thu khác có sử dụng chung tín hiệu vệ tinh COMPASS với các vệ tinh GNSS khác Một số hãng chế tạo máy thu của Trung Quốc đã chế tạo máy thu tín hiệu từ các vệ tinh Bắc Đẩu -1 và các vệ tinh COMPASS (Trần Mạnh Tuấn và Đào Thị Hồng Diệp, 2012)

1.1.3 Phương pháp xây dựng lưới khống chế tọa độ bằng công nghệ GPS

So với các phương pháp truyền thống khi xây dựng lưới khống chế tọa độ thì phương pháp xây dựng lưới khống chế bằng công nghệ GPS có những ưu điểm vượt trội hơn phương pháp truyền thống ở chỗ: (Lê Mạnh Hùng, 2013)

- Có thể khống chế trên một vùng lãnh thổ rộng lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp truyền thống chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp

- Không cần phải thông hướng, không cần xây dựng các cột tiêu trên mặt đất giữa các điểm đo cho nên công tác chọn điểm sẽ có nhiều phương án để lựa chọn

- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời điểm bất kỳ vị trí nào nếu thu được tín hiệu vệ tinh: Trên mặt đất, trên biển và trong không gian cho đối tượng đứng yên hay di động

- Có thể đo 24 giờ một ngày cho nên thời gian thi công nhanh đem lại hiệu quả kinh tế cao

- Độ chính xác lưới cao và đồng đều Độ chính xác không phụ thuộc vào

đồ hình của lưới cho nên thuận lợi cho công tác thiết kế lưới

- Công tác xử lý nội nghiệp hoàn toàn tự động theo các chương trình có sẵn nên kết quả có độ tin cậy cao

Với những ưu điểm vượt trội hơn so với phương pháp truyền thống nên ngày nay công nghệ GPS đã được sử dụng rộng rãi với các phương pháp định vị: định vị tuyệt đối, định vị tương đối (gồm đo tĩnh, đo động)

Phương pháp định vị tương đối tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao Trong trường hợp này cần có hai máy thu, một máy đặt tại điểm đã biết tọa độ, còn máy kia đặt tại điểm cần xác định tọa độ Cả hai máy cần phải đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung liên tục trong một khoảng thời gian nhất định, thường từ 60 phút đến vài

ba tiếng đồng 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 đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là

để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả giám sát (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp truyền thống thì phương pháp đo bằng công nghệ GPS cũng có một số hạn chế như:

- Máy móc thiết bị vệ tinh GPS khá đắt tiền nên hiệu quả kinh tế mang lại chưa cao, đòi hỏi cán bộ tham gia xây dựng và đo lưới GPS phải có kinh nghiệm

và trình độ kỹ thuật cao

- Công tác chọn điểm theo các nguyên tắc khá nghiêm ngặt

Hiện nay công nghệ GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác xây dựng lưới địa chính và lưới khống chế đo vẽ để thành lập bản đồ địa chính các tỷ lệ tại một số địa phương Qua thực tế thấy rằng công nghệ này có chiều hướng phát triển tốt, khả năng ứng dụng cao, đem lại hiệu quả cả về kỹ thuật và kinh tế (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)

1.2 Khái quát chung về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)

1.2.1 Khái quát về GPS

1.2.1.1 Khái niệm về GPS

Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là: Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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

1.2.1.2 Các thành phần của GPS

GPS gồm 3 đoạn: Đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

* Đoạn không gian (Space Segment)

Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 03 vệ tinh dự trữ Hiện nay đã

có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với

độ cao khoảng 20.200 km, nghiêng với mặt phẳng xích đạo của trái đất một góc 550 Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo gần như tròn đều với chu kì 718 phút Với sự phân

bố vệ tinh trên quỹ đạo như vậy trong bất kì thời gian nào và ở bất kì vị trí quan sát nào trên trái đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh

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

Mỗi vệ tinh được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2 đồng hồ thuộc loại censium và 2 đồng hồ thuộc loại rubidium có độ chính xác 10-12 s Với 4 đồng

hồ này không chỉ có mục đích dự phòng mà còn tạo ra cơ sở giám sát thời gian

và cung cấp giờ chính xác nhất Thêm vào đó mỗi vệ tinh còn được trang bị bộ tạo dao động thạch anh rất chính xác

Tất cả các đồng hồ của hệ thống GPS hoạt động ở tần số chuẩn cơ sở f 0 = 10.23MHz Tần số này là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ chính xác cỡ 10-12

Các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số cơ sở chuẩn f 0

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 = 1575,42MHz, có bước sóng l1 = 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 điện li và tầng đối lưu vì mức độ làm chậm tín hiệu

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

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

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

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

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

Người ta ước lượng độ chính xác định vị cỡ 1% bước sóng của tín hiệu Như vậy ngay khi sử dụng code thô C/A để định vị thì có thể đạt tới độ chính xác

cỡ 3m Chính vì thế phía Mỹ chủ động làm nhiễu tín hiệu để hạ thấp độ chính xác định vị tuyệt đối Kỹ thuật làm nhiễu này gọi là SA (Selective Availability)

Do nhiễu SA khách hàng chỉ có thể định vị tuyệt đối với độ chính xác cỡ 50 ÷ 100m Từ ngày 20 tháng 5 năm 2000 Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

Hình 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS

* Đoạn điều khiển (Control Segment)

Mục đích trong đoạn này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo

và thông tin thời gian chính xác

Có 5 trạm điều khiển đặt trên mặt đất gồm: ở Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương), MCS (Master Control Station) gần Colorado Spring Trạm điều khiển trung tâm MCS (Master Control Station) đặt tại căn cứ không quân Mỹ gần Colorado Spring

Các trạm theo dõi đặt tại Hawai (Thái Bình Dương), Assension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Tây Thái Bình Dương) có nhiệm vụ theo dõi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát được Số liệu quan sát được ở các trạm này được chuyển về trạm điều khiển ở trung tâm, tại đây việc tính

toán số liệu được thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật được chuyển

lên các vệ tinh để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của người sử dụng Như vậy vai trò của đoạn điều khiển là rất quan trọng vì nó không chỉ theo dõi các vệ tinh

mà còn liên tục cập nhật để chính xác hoá các thông tin đạo hàng đảm bảo độ chính xác cho công tác định vị bằng hệ thống GPS

Hình 1.3 Các trạm điều khiển GPS

* Đoạn sử dụng (User Segment)

Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau của khách hàng

kể cả ở trên trời, trên biển và trên đất liền Đó có thể là một máy thu riêng biệt hoạt động độc lập (Trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm gồm từ hai máy thu trở lên hoạt động đồng thời theo một lịch trình thời gian nhất định (Trường hợp định vị tương đối) hoặc trường hợp hoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò là máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệu chỉnh cho các máy thu khác (Trường hợp định vị vi phân) Đó còn là cả một hệ thống dịch vụ đạo hàng GPS

đa năng trên phạm vi toàn cầu hoặc ở từng khu vực đang được thiết lập ở một số nước phát triển

Hình 1.4 Các thành phần chính của GPS

1.2.2 Các đại lượng đo GPS

Việc định vị bằng công nghệ 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) (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

1.2.2.1 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

Hình 1.5 Xác định hiệu số giữa các thời điểm

Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là x s , y s , z s; tọa 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 ∆t, khoảng cách giả đo

được là R, ta có phương trình:

Với 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 khoảng 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

t c z z y

y x

x t

t c

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

1.2.2.2 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 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; N còn được gọi là số

nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo ∆t là: sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;

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

)(

2

t c N

Hình 1.6 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

1.2.3 Các phương pháp định vị GPS

1.2.3.1 Định vị tuyệt đối (Point Positioning)

* Nguyên lý định vị tuyệt đối

Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84 Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B,L,H) (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này

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 tọa 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 tư Để thấy rõ điều này ta thiết lập một hệ thống gồm 4 phương trình cho

4 vệ tinh như sau:

(X S1 - X) 2 +(Y S1 - Y) 2 +(Z S1 - Z) 2 = (R 1 – c.∆t) 2 (X S2 - X) 2 +(Y S2 - Y) 2 +(Z S2 - Z) 2 = (R 2 – c.∆t) 2 (X S3 - X) 2 +(Y S3 - Y) 2 +(Z S3 - Z) 2 = (R 3 – c.∆t) 2

(X S4 - X) 2 +(Y S4 - Y) 2 +(Z S4 - Z) 2 = (R 4 – c.∆t) 2

Với 4 phương trình 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t) ta sẽ tìm được nghiệm là tọa 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 (Đặng Nam Chinh

và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Hình 1.7 Kỹ thuật định vị tuyệt đối

Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu Cách hiệu chỉnh thứ hai này đòi hỏi máy thu

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

xử lý chủ động linh hoạt hơn

Phương pháp đo GPS vi phân có thể có hai cách xử lý số hiệu chỉnh tại điểm di động:

- Phương pháp xử lý đồng thời

- Phương pháp hậu xử lý

Để đảm bảo độ chính xác, các máy di động không nên đặt quá xa máy cố định, để đảm bảo giá trị nhiễu là như nhau Đồng thời, số liệu cải chính vi phân cần phải xác định và chuyển phát nhanh với tần số cao Độ chính xác của phương pháp này đạt tới mét, thậm chí vài đềximét (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

1.2.3.2 Định vị tương đối (Relative Positioning)

* Nguyên lý định vị tương đối

Định vị 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 tọa độ vuông góc không gian (∆X,

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

WGS-84 (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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 tọa 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 tọa độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị,

Ta ký hiệu Φr j

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

∆1Φj

(t i )= Φ2 j

(t i ) - Φ1 j

(t i )

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 t i, ta có phân sai bậc hai:

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

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 tọa độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Hình 1.8 Kỹ thuật định vị tương đối

* Các phương pháp định vị tương đối

- Phương pháp đo tĩnh

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

vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai máy là 4 nhưng thường lấy nhiều hơn để đề phòng trường hợp thu tín hiệu vệ tinh bị giãn đoạn Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là đủ để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định cho kết quả quan sát (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Trong đo tĩnh cần chú ý đến công tác bố trí các ca đo Khoảng thời gian quan trắc của các máy thu được gọi là độ dài ca đo

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

- Độ chính xác của lưới cần thành lập

- Độ dài cạnh đo

- Số lượng vệ tinh có thể quan trắc

- Cấu hình vệ tinh

- Độ ổn định của tín hiệu vệ tinh đo được

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

cạnh có chiều dài ngắn hơn

Thời gian phải kéo dài tới mức nhất định để có thể xác định được số nguyên đa trị Đối với cạnh ngắn (nhỏ hơn 1 km), số nguyên đa trị có thể được 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 đo là 15 km có thể nhận được kết quả chính xác với chỉ 2 phút số liệu đo

Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo phải kéo dài nên năng suất đo không cao

- Phương pháp đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết, trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong một vài phút Trong phương pháp này cần có ít nhất 2 máy thu Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết gối lên hai điểm đã biết tọa độ Sau khi đã xác định, số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp cho cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không còn là một tiếng đồng hồ như trong đo tĩnh mà đã giảm xuống còn là một vài phút trong phương pháp này (Vũ Tiến Quang, 2002)

Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo, máy này gọi là máy cố định Ở điểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thu thứ hai, cho nó thu tín hiệu đồng thời với máy cố định trong vòng một phút Việc làm này gọi là khởi đo, máy thứ hai này gọi là máy di động Tiếp đó cho máy di động lần lượt chuyển

đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm cần dừng lại thu tín hiệu trong một phút, cuối cùng quay về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng lần thu tín hiệu thứ hai cũng kéo dài một phút tại điểm này Yêu cầu tối thiểu của phương pháp đo động là cả máy cố định và máy di động đồng thời thu tín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo Vì vậy khu đo phải bố trí ở khu vực thoáng đãng không để xảy ra tình trạng tín hiệu thu bị gián đoạn Nếu xảy ra trường hợp này phải tiến hành khởi đo lại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáy khác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2 m đến 5 km và độ chính xác cỡ centimet là đủ

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so với phương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết

kế và tổ chức đo để đảm bảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của

vệ tinh (Vũ Tiến Quang, 2002)

1.2.4 Các nguồn sai số trong định vị GPS

1.2.4.1 Sai số của đồng hồ

Sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trong máy thu và sự không đồng

bộ giữa chúng gây ra sai số của đồng hồ trong kết quả đo GPS Đặc biệt là trong định vị tuyệt đối sai số này có giá trị tương đối lớn (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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 (10-

4s) đặt bên trong

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3x108m/s, nếu sai số đồng hồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu đồng hồ nguyên tử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m

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

1.2.4.2 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 đến kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định vị tương đối hoặc vi phân (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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

cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh được chia làm 3 loại là: (Lê Văn Thủ, 2008)

- 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 khoảng 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 khoảng 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

1.2.4.3 Sai số tầng điện ly và tầng đối lưu

Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn 20.000km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50km tới độ cao 500km 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 (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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

số khoảng 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 tọa độ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi

đó nếu sử dụng máy hai tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác (Lê Văn Thủ, 2008)

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta quy định chỉ sử dụng tín hiệu vệ tinh có góc ngưỡng là 150 (hoặc là 100)

1.2.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà còn nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số này gọi

là sai số do nhiễu tín hiệu Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau: (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

- 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

1.2.4.5 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 (Đặng Nam Chinh và Đỗ Ngọc Đường, 2012)

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

1.3 Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu trên Thế giới và ở tại Việt Nam

1.3.1 Trên thế giới

Việc ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng các mạng lưới khống chế trắc địa hiện nay đã được ứng dụng phổ biến, đại trà trong sản xuất ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh người ta có thể xây dựng được các mạng lưới có cạnh dài đến hàng ngàn mét Các mạng lưới của từng quốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới (Bùi Đức Tuệ, 2015)

Ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ GPS là đo nối mạng lưới tọa độ Quốc gia của nhiều nước trên thế giới với hệ tọa độ trắc địa toàn cầu WGS-84, hoàn chỉnh các mạng lưới tọa độ quốc gia đã xây dựng bằng các công nghệ cổ truyền, tăng dày các mạng lưới tọa độ, xây dựng các mạng lưới mới…Bằng ứng dụng này công nghệ GPS đã tạo nên sự “giao lưu trắc địa” giữa rất nhiều nước thông qua việc sắp đặt các tham số tính chuyển giữa các hệ tọa độ Quốc gia và hệ toạ độ trắc địa Toàn cầu WGS-84 (Bùi Đức Tuệ, 2015)

Đến nay đã xác lập được sự chuyển đổi qua lại giữa 185 hệ tọa độ của các nước khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84

Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc địa, nhiều nước đã ứng dụng thành công công nghệ GPS từ lâu Thành quả của việc ứng dụng công nghệ GPS của một số nước trong khu vực châu Á- Thái Bình Dương, là những nước có vị trí địa lý và trình độ phát triển về đo đạc bản đồ gần gũi với Việt Nam được giới thiệu sau đây:

- Ở Singapore

Từ năm 1992 ở Singapore đã có chương trình ứng dụng công nghệ GPS

để hiện đại hóa và tăng dày mạng lưới trắc địa Chương trình này nhằm thành lập mạng lưới đo đạc tích hợp (ISN) gồm các điểm hạng Cấp I và Cấp II

Mạng lưới cấp I gồm 38 điểm và cấp II gồm khoảng 10 000 điểm (khoảng cách giữa các điểm khoảng 300 m)

Năm 1994, Singapore cũng đã ứng dụng công nghệ GPS để xác định Geoid hình học của nước mình với mạng lưới khống chế gồm 51 điểm

- Ở New Zealand

Năm 1949 hệ tọa độ quốc gia đã được công bố (gọi là hệ quy chiếu trắc địa New Zealand – NZGSD - 49) sau đó đã hoàn chỉnh lại và gọi là hệ 93 (NZGSD-93)

Năm 1993 New Zealand vẫn sử dụng 06 máy thu GPS loại hai tần số để

đo mạng lưới gồm 30 điểm trùng với các điểm cũ để nghiên cứu so sánh kiểm chứng lại hệ tọa độ quốc gia

- Ở Australia

Công nghệ GPS ở nước này đã được ứng dụng để thành lập 09 điểm phủ trùm lãnh thổ, các điểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Australia Lưới chuẩn này đã được tăng dày bởi 60 điểm GPS tạo thành lưới quốc gia Australia Mạng lưới GPS đã được sử dụng để kiểm tra, nâng cao độ chính xác các mạng lưới tọa độ hạng I, hạng II, hạng III của Australia và bình sai chung mạng lưới GPS và mạng lưới mặt đất đã thiết lập hệ tọa độ mới của Australia

Ngoài ra, công nghệ GPS cũng đã được ứng dụng để 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 Đức Tuệ, 2015)

1.3.2 Tại Việt Nam

* Giai đoạn 1991-1994

+ Từ năm 1991-1993: Xây dựng lưới ở Minh Hải (15 điểm với chiều dài trung bình 25 km), xây dựng lưới ở Sông Bé (34 điểm chiều dài 27 km), xây dựng lưới ở Tây Nguyên (65 điểm chiều dài 30 km) Xây dựng lưới GPS cạnh ngắn có độ chính xác hạng II cho một số vùng ở miền Nam (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)

+ Năm 1992: Xây dựng lưới trắc địa biển bằng công nghệ GPS gồm 36 điểm trong đó có 18 điểm trên quần đảo Trường Sa

+ Đo nối lưới GPS cạnh dài gồm 10 điểm trùng với lưới mặt đất đã xây dựng

* Giai đoạn 1995 -2000 Xây dựng lưới cấp “0”

+ Năm 1995: Xây dựng lưới cấp “0” gồm 69 điểm có 56 điểm trùng với hạng I, II cũ và phân bố đều trên lãnh thổ Việt Nam

+ Năm 1997: Đo 8 điểm cấp “0” theo phương pháp đo tuyệt đối nhằm kiểm tra chất lượng lưới cấp “0”

+ Năm 1998: Đo bổ sung 40 điểm cấp “0” Đo nối độ cao thủy chuẩn hạng

I, II phục vụ định 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 định vị với điểm gốc N0 nằm tại viện nghiên cứu địa chính (nay là viện khoa học

đo đạc và bản đồ) trền đường Hoàng Quốc Việt, TP Hà Nội và 25 điểm cấp “0” (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)

+ Xây dựng hệ thống DGPS/CORS

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

• DGPS: Phát đi số cải chính để nâng cao độ chính xác định vị và dẫn đường cho các phương tiện di động

• GNSS/CORS: Đo liên tục để phục vụ cho nghiên cứu khoa học và khảo sát đo đạc

Hiện nay có 4 trạm lớn: Phú Quốc, Đà Nẵng, Móng Cái và Đảo Trường Sa đang hoạt động Trạm Cửa Lò và Cam Ranh đã có chủ trương xây dựng

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

Á Tham gia xây dựng lưới địa động lực Nam – Đông Nam Á nhằm xác định chuyển động và biến dạng của vỏ trái đất ở khu vực Việt Nam có 2 điểm là CAMP (Cẩm Phả - Quảng Ninh) và NONN (Ngũ Hành Sơn – Đà Nẵng) (Bùi Thị Hồng Thắm, 2014)

Ứng dụng công nghệ GPS trong các ứng dụng khác

* Xây dựng lưới khống chế mặt bằng

Có thể nói những ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là

đo đạc các mạng lưới trắc địa mặt bằng Chúng ta biết rằng đo tương đối tĩnh cho

độ chính xác cao nhất, vì thế phương pháp này được sử dụng để đo các mạng lưới trắc địa (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

* GPS phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính

- Xây dựng các mạng lưới địa chính

Công nghệ GPS được ứng dụng rộng rãi trong công tác đo đạc địa chính Trước hết là xây dựng mạng lưới địa chính các cấp Ở nước ta, theo quy định của Tổng cục địa chính (1999) lưới khống chế địa chính các cấp được phát triển từ lưới khống chế tọa độ Nhà nước hạng I,II Trước hết là lưới địa chính cơ sở có độ chính xác tương đương với lưới hạng III Nhà nước, song có mật độ điểm tương đương với lưới hạng IV Nhà nước trước đây Lưới địa chính cơ sở là cơ sở để phát triển tiếp các mạng lưới cấp thấp hơn, phục vụ cho công tác đo vẽ địa chính, kiểm kê đất đai…(Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

- Đo vẽ chi tiết bản đồ địa hình, bản đồ địa chính tỷ lệ lớn và trung bình

Với kỹ thuật đo GPS động dừng và đi, người ta có thể thực hiện đo vẽ chi tiết để thành lập bản đồ với độ chính xác và tốc độ đo không thua kém các phương pháp truyền thống sử dụng toàn đạc điện tử Tuy nhiên để thực hiện được cần bảo đảm một điều kiện bắt buộc trong quá trình đo chi tiết bằng GPS phải liên tục theo dõi tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh Như vậy để đảm bảo điều này khu

đo phải thông thoáng lên bầu trời, không bị cây to che phủ hoặc nhà cao tầng che chắn tín hiệu vệ tinh Để có thể tiến hành công tác đo động thuận lợi nên tiến hành khảo sát thực địa khu đo trước khi đo Phương pháp này rất phù hợp trong

đo vẽ vùng thổ canh (trồng lúa, cà phê, hạt tiêu…)

Đo vẽ chi tiết bằng công nghệ GPS động cho phép ta hoàn toàn tự động hóa quá trình đo, tính và vẽ bản đồ (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

* Trong trắc địa công trình, đo mặt cắt trên sông, hồ lớn

* Trong đo đạc trắc địa biển: phục vụ thành lập bản đồ địa hình đáy biển

và các công tác trên biển khác (Dương Vân Phong và Nguyễn Gia Trọng, 2013)

Nhận xét: Với các ứng dụng kể trên của công nghệ GPS mang lại những

hiệu quả đáng kể trong các lĩnh vực khác nhau như trong trong trắc địa công trình, trắc địa biển, thành lập bản đồ địa chính, địa hình…Việc xây dựng lưới khống chế tọa độ nói chung, lưới khống chế đo vẽ nói riêng mang lại những hiệu quả cả về kỹ thuật và kinh tế nên ngày nay công nghệ GPS đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong công tác xây dựng lưới địa chính và lưới khống chế đo vẽ để thành lập bản đồ địa chính các tỷ lệ tại một số địa phương

1.4 Xây dựng lưới khống chế đo vẽ bằng công nghệ đo GPS

1.4.1 Khái niệm về lưới khống chế đo vẽ

Lưới khống chế đo vẽ là lưới được lập nhằm tăng dày thêm các điểm tọa

độ để đảm bảo cho việc lập bản đồ địa chính bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp tại thực địa hoặc tăng dày điểm khống chế ảnh để đo vẽ bổ sung ngoài thực địa khi lập bản đồ địa chính bằng phương pháp ảnh hàng không kết hợp đo vẽ trực tiếp ngoài thực địa (Trần Bạch Giang và Phạm Ngọc Mai, 2007)

Lưới khống chế đo vẽ bao gồm: lưới khống chế đo vẽ cấp 1 và cấp 2 đo vẽ bằng máy toàn đạc điện tử, kinh vĩ điện tử và lưới khống chế đo vẽ đo bằng công nghệ GPS đo tĩnh, đo tĩnh nhanh hoặc đo động (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014)

1.4.2 Yêu cầu thiết kế lưới khống chế đo vẽ

Ở Việt Nam xây dựng lưới khống chế đo vẽ cần tuân thủ một số yêu cầu sau: (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2014)

Lưới khống chế đo vẽ cấp 1 được phát triển dựa trên tối thiểu 2 điểm tọa

độ có độ chính xác tương đương điểm địa chính trở lên

Lưới khống chế đo vẽ cấp 2 được phát triển dựa trên tối thiểu 2 điểm tọa

độ có độ chính xác tương đương điểm khống chế đo vẽ cấp 1 trở lên

Lưới khống chế đo vẽ đo bằng công nghệ GPS được phát triển dựa trên tối thiểu 3 điểm tọa độ có độ chính xác tương đương điểm địa chính trở lên

Đo bằng công nghệ GPS để xây dựng lưới khống chế đo vẽ quy định:

+ Thời gian đo ngắm đồng thời tối thiểu: 30 phút + Số lượng vệ tinh khỏe liên tục tối thiểu: 5 vệ tinh