Nghiên cứu khảo sát vấn đề bình sai lưới trắc địa chính sử dụng trị đo gps trong mô hình phẳng

Đề tài hướng đến mục đích khảo nghiệm sâu hơn nữa những ảnh hưởng của đồ hình lưới, số lượng điểm khống chế và phân bố điểm khống chế trong lưới trị đo GPS phục vụ đo đạc địa chính, kết

Vũ duy tân

Nghiên cứu khảo sát vấn đề bình sai lưới địa

chính sử dụng trị đo GPS trong mô hình phẳng

Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa

Mã số: 60.52.85

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học

Gs.Tskh Hoàng Ngọc Hà

Hμ nội - 2008

LờI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung đề tài là những nghiên cứu, những ý tưởng khoa học do tôi tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất mà tôi trực tiếp tham gia thực hiện Kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà nội, ngày …… tháng 12 năm 2008

Tác giả luận văn

Vũ Duy Tân

Mục lục

Mở ĐầU 8

Chương I TổNG QUAN Về LƯớI ĐịA CHíNH 12

1.1 Vài nét về lưới toạ độ nhà nước Việt Nam 12

1.2 Lưới toạ độ địa chính 13

1.2.1 Yêu cầu về điểm khống chế đối với lưới địa chính 13

1.2.2 Sơ đồ phát triển lưới địa chính 14

1.2.3 Yêu cầu độ chính xác lưới toạ độ địa chính 15

1.3 Các dạng lưới toạ độ địa chính cơ bản 19

1.3.1 Lưới tọa độ địa chính đảm bảo sai số trung phương chiều dài cạnh thửa đất 19

1.3.2 Lưới tọa độ địa chính đảm bảo độ chính xác diện tích thửa đất 21

Chương 2: Hệ THốNG GPS 22

2.1 Cấu trúc hệ thống GPS 23

2.1.1 Đoạn không gian 23

2.1.2 Đoạn điều khiển 23

2 1 3 Đoạn người sử dụng 24

2.2 Tín hiệu GPS 25

2.2.1 Tần số cơ bản 25

2.2.2 Các thông tin điều biến 25

2.2.3 Các loại sóng tải của hệ thống GPS 26

2.3 Các trị đo GPS 27

2.4 Nguyên lý định vị GPS 28

2.4.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn) 28

2.4.2 Định vị tương đối 30

2.5 Các nguồn sai số 31

2.5.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh 31

2.5.2 ảnh hưởng của tầng ion 32

2.5.3 ảnh hưởng của tầng đối lưu 32

2.5.4 Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ (Cycle slips) 32

2.5.5 Hiện tượng đa tuyến (Multipath) 33

2.5.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh 33

2.5.7 Các sai số do người đo 34

2.5.8 Tâm pha của anten 34

2.6 Những kỹ thuật đo GPS 35

2.6.1 Đo GPS tuyệt đối .35

2.6.2 Đo GPS tương đối .36

2.7 Toạ độ và hệ quy chiếu 37

Chương 3: những khái niệm về thiết kế tối ưu lưới trắc địa và quy trình cơ bản trong bình sai lưới sử dụng trị đo GPS 40

3.1 Những khái niệm về thiết kế tối ưu lưới trắc địa 40

3.1.1 Bài toán thiết kế tối ưu tổng quát 40

3.1.2 Các bài toán thiết kế tối ưu 40

3.1.3 Số liệu gốc trong bình sai lưới 41

3.1.4 độ chính xác cục bộ của lưới 41

3.1.5 Các phương pháp thiết kế tối ưu lưới trắc địa 42

3.2 Quy trình cơ bản bình sai lưới sử dụng trị đo GPS 43

3.2.1 Lý thuyết cơ bản trong xử lý số liệu GPS 43

3.2.2 Xử lý số liệu trong Trimble Geomatics Office 45

chương 4: Thực nghiệm khảo sát vấn đề bình sai lưới địa chính sử dụng trị đo GPS trong mô hình phẳng 51

4.1 Khảo sát đối với lưới ĐC tại huyện Yên Mô - tỉnh Ninh Bình 51

4.1.1 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác tạo độ điểm lưới khi có sự thay đổi số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 52

4.1.2 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi có sự thay đổi phân bố số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 59

4.1.3 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi sử dụng 2 điểm khống chế trong lưới 62

4.2 Khảo sát đối với lưới ĐC tại huyện Ninh Giang - tỉnh Hải Dương 66

4.2.1 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác tạo độ điểm lưới khi có sự

thay đổi số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 67

4.2.2 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi có sự thay đổi phân bố số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 72

4.2.3 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi sử dụng 2 điểm khống chế trong lưới 75

4.3 Khảo sát đối với lưới ĐC tại huyện Cẩm Thuỷ - tỉnh Thanh Hoá 79

4.3.1 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác tạo độ điểm lưới khi có sự thay đổi số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 79

4.3.2 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi có sự thay đổi phân bố số lượng điểm gốc khống chế trong lưới 86

4.3.3 Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi sử dụng 2 điểm khống chế trong lưới 90

Kết luận và kiến nghị 95

Tài liệu tham khảo 96

Phụ lục 97

Danh mục các bảng, biểu

Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới Địa chính 15 Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới khống chế đo vẽ Địa chính 17 Bảng 2.1 Bảng thống kê các nguồn lỗi khi đo GPS và biện pháp khắc phục 34 Bảng 4.1 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo

Qii khi Fix tất cả các điểm khống chế trong lưới Yên Mô -

Ninh Bình 52 Bảng 4.2 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 4 điểm khống chế trong lưới Yên Mô - Ninh Bình 56 Bảng 4.3 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix cả và Fix 4

điểm khống chế 58 Bảng 4.4 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix các điểm khống chế tập trung vào một phía trong lưới Yên Mô - Ninh Bình 59 Bảng 4.5 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix cả và các

điểm khống chế Fix tập trung tại một phía của đồ hình 62 Bảng 4.6 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 02 điểm khống chế trong lưới Yên Mô - Ninh Bình 63 Bảng 4.7 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix 02 của đồ hình 65 Bảng 4.8 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo

Qii khi Fix tất cả các điểm khống chế trong lưới Ninh Giang - Hải Dương 69 Bảng 4.9 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 04 điểm khống chế trong lưới Ninh Giang - Hải Dương 70 Bảng 4.10 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các điểm

khống chế và khi Fix 04 của đồ hình trong lưới Ninh Giang-Hải Dương 71 Bảng 4.11 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix các điểm khống chế lệch về một phía trong lưới Ninh

Giang - Hải Dương 73 Bảng 4.12 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix các điểm lệch hẳn về một phía của

đồ hình trong lưới Ninh Giang - Hải Dương 75 Bảng 4.13 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 02 đểm khống chế trong lưới Ninh Giang - Hải Dương 76 Bảng 4.14 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix 02 điểm khống chế của đồ hình

trong lưới Ninh Giang - Hải Dương 78 Bảng 4.15 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix tất cả các đểm khống chế trong lưới Cẩm Thuỷ -

Thanh Hoá 80 Bảng 4.16 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 04 đểm khống chế trong lưới Cẩm Thuỷ - Thanh Hoá 83 Bảng 4.17 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix 04 điểm khống chế của đồ hình

trong lưới Cẩm Thuỷ -Thanh Hoá 85 Bảng 4.18 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix các đểm khống chế lệch hẳn về một phía trong lưới Cẩm Thuỷ - Thanh Hoá 87 Bảng 4.19 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix các điểm khống chế lệch hẳn về một phía của đồ hình trong lưới Cẩm Thuỷ - Thanh Hoá 89 Bảng 4.20 Bảng các phần tử đường chéo chính trong ma trận nghịch đảo Qii

khi Fix 02 đểm khống chế trong lưới Cẩm Thuỷ - Thanh Hoá 91 Bảng 4.21 Bảng so sánh các yếu tố lưới trong trường hợp Fix tất cả các

điểm khống chế và khi Fix 02 điểm khống chế trong lưới

Cẩm Thuỷ - Thanh Hoá 93

Danh mục các hình vμ sơ đồ

Hình 2.1 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 23

Hình 2.2 Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS 24

Hình 2.3 Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển 24

Hình 2.4 Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS 28

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên định vị điểm đơn 29

Sơ đồ 3.1 Sơ đồ hướng dẫn công việc trong phầm mềm 47

Sơ đồ 3.2 Chu trình xử lý lỗi 48

Sơ đồ 3.3 Sơ đồ chu trình xử lý lỗi trong quá trình bình sai sơ bộ 49

Sơ đồ 3.4 Sơ đồ chu trình bình sai đầy đủ 50

Mở ĐầU Lưới địa chính được thành lập nhằm mục đích phục vụ đo vẽ bản đồ

địa chính, sự thống nhất về độ chính xác của lưới địa chính là yếu tố quan trọng đảm bảo cho bản đồ địa chính được thành lập tại những vùng khác nhau vẫn đồng đều về chất lượng, đặc biệt là đảm bảo độ chính xác các yếu

tố cần thiết thể hiện trên bản đồ ở nước ta hiện nay lưới tạo độ hạng “0”, hạng I, hạng II, hạng III và IV nhà nước đã được phủ trùm trên toàn bộ lãnh thổ quốc gia, được đo đạc với độ chính xác cao; đã xử lý tổng thể đảm bảo

độ chính xác thống nhất trên toàn quốc Việc xây dựng các mạng lưới cấp thấp hơn gồm điạ chính ĐC-I, ĐC-II vv được thực hiện bằng phương pháp chêm dày từ các điểm lưới cấp cao hơn với mật độ dày đặc hơn chiều dài từ 2000m đến 4000m đối với lưới ĐC-I, II và dưới 600m với các lưới khác Các lưới có mật độ lớn thường được thiết kế dạng đường chuyền đơn hoặc lưới nhiều vòng khép kín, nhiều điểm nút truyền thống sử dụng máy toàn đạc

điện tử

Từ thập niên 90 của thế kỷ trước hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng các vệ tinh nhân tạo được Bộ quốc phòng Mỹ đã được ứng dụng ở nước ta Ban đầu

hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã được thương mại hoá, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội và

đặc biệt đối 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

Cùng với thời gian, công nghệ GPS đã được áp dụng mạnh mẽ, đã phá

bỏ những quan ngại trong việc xây dựng, thiết kế những mạng lưới có mật

độ dày đặc với những khó khăn trong việc đo nối khống chế do ảnh hưởng của việc thất lạc, mất điểm gốc và hạn chế thông hướng do quá trình phát triển của các khu dân cư đang ngày càng sôi động hiện nay Việc xây những mạng lưới ĐC-I, II và thấp hơn sử dụng 100% trị đo GPS hiện nay đang là một xu hướng đang được nhiều nơi thực hiện điều này phản ánh sự tiếp thu

mạnh mẽ các ứng dụng của công nghệ mới tại nước ta hiện nay Với mục tiêu nghiên cứu đánh giá trên góc độ khoa học những xu hướng hiện nay,

đựơc sự hướng dẫn khoa học của GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà tác giả của luận

văn đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khảo sát vấn đề bình sai lưới địa chính sử dụng trị đo GPS trong mô hình phẳng”

1 Tính cấp thiết của đề tài

• Việc thành lập lưới khống chế địa chính cấp I, II đòi hỏi cần được xây dựng thành những mạng lưới phủ trùm toàn huyện hoặc lớn hơn

• Việc thành lưới sử dụng các phương pháp khác GPS ảnh hưởng rất nhiều vào các điều kiện nhau dẫn đến độ chính xác và tiến độ bị ảnh hưởng lớn

• Việc đo đạc toạ độ rất nhanh chóng, đạt chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái đất

• Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ toạ độ toàn cầu hoặc hệ toạ độ

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Từ những đặc điểm hệ thống lưới điạ chính, những kỹ thuật định vị GPS, đề tài này sẽ khảo sát việc bình sai lưới sử dụng trị đo GPS trong thành lập lưới địa chính Kết quả nghiên cứu cần phải xác định được về độ chính xác đạt được của các trị đo trong điều kiện thực tế xây dựng lưới địa chính, so

sánh, đánh giá để rút ra những kết luận khoa học, từ đó đề xuất quy trình công nghệ áp dụng kỹ thuật xây dựng lưới ở các cơ sở sản xuất trắc địa bản đồ

3 Mục đích nghiên cứu

Đề tài hướng đến mục đích khảo nghiệm sâu hơn nữa những ảnh hưởng của đồ hình lưới, số lượng điểm khống chế và phân bố điểm khống chế trong lưới trị đo GPS phục vụ đo đạc địa chính, kết quả nghiên cứu sẽ cho thấy những ảnh hưởng của các yếu tố trên đến độ chính xác lưới khống chế sử dụng trị đo GPS

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu được đề cập trong luận văn là ba vấn đề sau:

- Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi có sự thay đổi số lượng

điểm gốc khống chế trong lưới

- Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi có sự thay đổi phân bố số lượng điểm gốc khống chế trong lưới

- Khảo sát sự thay đổi độ chính xác lưới khi chỉ có 2 điểm khống chế Trong đó có xem xét đến thành phần ma trận Qii trong các trường hợp

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

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

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

- Phương pháp so sánh: Đối chiếu các kết quả nghiên cứu với nhau và với thực tiễn trong sản xuất để đưa ra các nhận định, phương pháp tính chuyển toạ độ phù hợp với yêu cầu đặt ra

6 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết, các kết quả thực nghiệm, các công trình sản xuất thực tiễn của đề tài này, tác giả mong muốn thể hiện các vấn đề sau:

- Sử dụng trị đo GPS thành lập lưới địa chính là phương pháp khoa học tiên tiến, đáp ứng yêu cầu của công tác thành lập lưới và bổ sung lưới trong điều kiện khó khăn về số lượng điểm gốc cần thiết

- GPS đạt hiệu quả cao về kỹ thuật cũng như vấn đề kinh tế trong thi công thành lập lưới địa chính ở Việt Nam

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 4 chương, dài 103 trang đánh máy, 20 bảng biểu, 5 hình và 4 sơ đồ, 8 tài liệu tham khảo

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của TSKH Hoàng Ngọc Hà chủ nhiệm Bộ môn Trắc địa phổ thông và Sai số - khoa Trắc Địa - Trường Đại học Mỏ Địa Chất, đồng thời được sự hỗ trợ tích cực của Viện khoa học Đo đạc Bản đồ và các đồng nghiệp trong việc tổ chức triển khai nghiên cứu

GS-Tôi xin chân thành cảm ơn GS-TSKH Hoàng Ngọc Hà, Trường đại học Mỏ - Địa Chất, Viện khoa học Đo đạc Bản đồ cùng các đồng nghiệp và mong nhận được những ý kiến đóng góp về bản luận văn

Chương 1: TổNG QUAN Về LƯớI ĐịA CHíNH

1.1 VàI NéT Về LƯớI TOạ Độ NHà NƯớC VIệT NAM

Do điều kiện lịch sử để lại lưới toạ độ nhà nước của chúng ta không liên tục và các loại dữ liệu không đồng nhất trên toàn quốc [6.]

Từ trước năm 1975 phía bắc vĩ tuyến 17 ta xây dựng lưới tam giác đo góc hạng I và sau đó chêm dày các điểm hạng II Mật độ điểm trung bình khu vực này là 120 km2 có một điểm hạng I và II, trong lưới các cạnh được

đo bằng thước Invar, máy đo xa điện quang NASM-2A, 28 điểm thiên văn,

13 điểm Laplace

Từ năm 1977 – 1983 xây dựng lưới tam giác hạng I gồm 25 điểm khu vực Bình - Trị - Thiên, có 3 điểm đo trùng với lưới miền Bắc

Từ năm 1983 – 1989, xây dựng lưới tam giác đo góc hạng II dạng dày

đặc gồm 422 điểm từ Thừa Thiên đến Thành phố Hồ Chí Minh

Từ 1988 đến 1990 xây dựng mạng lưới đường chuyền hạng II phủ trùm đồng bằng Nam bộ gồm 174 điểm

Từ 1991 đến 1992 xây dựng mạng lưới phủ trùm bằng công nghệ GPS tại ba khu vực là Tây Nguyên, Sông Bé và Minh Hải

Lưới toạ độ nhà nước Việt Nam được xây dựng trước năm 1992 đều

được xử lý trên bề mặt toán học Ellipxoid thực dụng Kraxovsky hệ HN-72 Toạ độ vuông góc phẳng được tính trên múi chiếu Gauss-Kruger Tuy nhiên, mạng lưới này không được xử lý chung mà bình sai độc lập từng khu vực theo kết quả đo trong từng thời kỳ, toạ độ khởi tính của các khối sau là toạ

độ của điểm ngoài rìa các khối do liền kề trước đó

Từ tháng 7 năm 2001, hệ quy chiếu và hệ toạ độ VN-2000 chính thức

được đưa vào sử dụng với Ellixoid W84, phép chiếu UTM, các điểm khống chế nhà nước được tính chuyển sang hệ VN-2000 Đến nay lưới toạ độ nhà nước đã phủ trùm toàn bộ lãnh thổ Việt Nam gồm 1763 điểm, trong đó 71

điểm cấp “0” đo đạc bằng công nghệ GPS, 339 điểm tam giác hạng I, 1116

điểm tam giác hạng II, 174 điểm đường chuyền hạng II và 122 điểm GPS cạnh ngắn … Hệ thống lưới toạ độ hạng III và IV đã được xây dựng phủ

trùm đạt độ chính xác để xây dựng bản đồ địa hình tỉ lệ 1:1000 thậm chí 1:500 Tuy nhiên, các mạng lưới này không còn đủ mật độ cần thiết để đo vẽ bản đồ 1:500 trên phạm vi rộng vì các điểm đã mất và hư hỏng nhiều

1.2 LƯớI TOạ Độ ĐịA CHíNH

Bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 được thành lập ở múi chiếu 3o trên mặt phẳng chiếu hình, trong hệ toạ độ Quốc gia VN-2000 và độ cao Nhà nước hiện hành Kinh tuyến gốc (00) được quy ước là kinh tuyến đi qua GRINUYT Điểm gốc của hệ toạ độ mặt phẳng (điểm cắt giữa kinh tuyến trục của từng tỉnh và xích đạo) có X =

0 km, Y = 500 km Điểm gốc của hệ độ cao là điểm độ cao gốc ở Hòn Dấu - Hải Phòng

1.2.1 Yêu cầu về điểm khống chế đối với lưới địa chính:

Cơ sở khống chế toạ độ, độ cao trong đo vẽ bản đồ địa chính gồm:

- Lưới toạ độ và độ cao Nhà nước các hạng

- Lưới địa chính, lưới độ cao kỹ thuật

- Lưới khống chế đo vẽ, điểm khống chế ảnh (gọi chung là lưới khống chế đo vẽ)

Mật độ điểm khống chế toạ độ địa chính là số điểm lưới khống chế

được xây dựng trên một đơn vị diện tích để phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính theo một tỉ lệ xác định Ta có thể dễ dàng dự tính được số điểm khống chế khi biết những yếu tố sau:

- Phương pháp đo vẽ bản đồ địa chính

- Tỉ lệ bản đồ địa chính cần thành lập

- Đặc điểm địa hình và địa vật khu đo

Hiện nay hai phương pháp cơ bản để thành lập bản đồ địa chính là phương pháp đo vẽ trực tiếp và phương pháp đo ảnh hàng không Phương pháp toàn đạc là phương pháp cơ bản, không thể thay thế trong điều kiện đo

vẽ bản đồ địa chính tỉ lệ lớn khu vực dân cư đông đúc, thửa đất nhỏ, bị che khuất nhiều Bản chất của phương pháp xác định toạ độ những điểm chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử Phương pháp này đòi hỏi số lượng điểm khống

chế dải đều và dày đặc Tỉ lệ bản đồ càng lớn, vùng đo vẽ càng che khuất thì

số lượng điểm càng nhiều

+ Thành lập bản đồ địa chính bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp ở thực địa

Để đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:5000 - 1:10000, trên diện tích khoảng 5 km2

Quy định trên áp dụng cho cả trường hợp có trích đo khu dân cư hoặc trích đo các thửa, các cụm thửa ở tỷ lệ lớn hơn tỷ lệ bản đồ cơ bản của khu vực

Trường hợp đặc biệt, khi đo vẽ lập bản đồ địa chính mà diện tích nhỏ hơn 30 ha đến trên 5 ha, mật độ từ điểm địa chính trở lên tối thiểu để phục

vụ đo vẽ là 2 điểm

1.2.2 Sơ đồ phát triển lưới địa chính

Chúng ta biết rằng lưới toạ độ nhà nước hiện nay đã được xây dựng thống nhất trên toàn quốc, lưới toạ độ hạng III và IV nhà nước đã được xây dựng đảm bảo mật độ cũng như độ chính xác phục vụ công tác thành lập bản

đồ địa chính ở những khu vực nông thôn, đất nông nghiệp, lâm nghiệp…Tuy nhiên, tại những khu vực thành phố và thị xã thì mạng lưới này không đáp ứng được nhu cầu do bị mất mát và hư hỏng nhiều

Phương pháp cơ bản để xây dựng lưới hiện nay là chêm dày từ các cấp lưới hạng cao nhà nước như hạng I và hạng II, tạo nên mạng lưới địa chính cơ sở đạt độ chính xác tiêu chuẩn hạng III và mật độ đạt tương đương hạng

IV nhà nước Để tăng dày mật độ điểm khống chế toạ độ ta chêm dày thêm vào lưới địa chính cơ sở lưới tạo độ điạ chính cấp 1, 2 và tiếp sau đó chêm dày các cấp lưới cấp thấp hơn

Như vậy, việc phát triển lưới địa chính nói chung không khác biệt với việc phát triển các lưới trắc địa khác

1.2.3 Yêu cầu độ chính xác lưới toạ độ địa chính

Lưới tạo độ địa chính được thành lập nhằm mục đích phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính Tính thống nhất về độ chính xác là yếu tố cơ bản quan trọng nhằm đảm bảo cho bản đồ địa chính được thành lập ở những vùng khác nhau vẫn đồng đều về chất lượng, đặc biệt là đảm bảo độ chính xác yếu

tố cần thiết thể hiện trên bản đồ

Lưới địa chính được xây dựng bằng phương pháp đường chuyền hoặc bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, tứ giác để làm cơ sở phát triển lưới khống chế đo vẽ (phụ lục:1.1)

Dù thành lập lưới địa chính bằng phương pháp nào cũng phải đảm bảo

độ chính xác sau bình sai theo quy định sau[1.]

Bảng 1.1

không quá

2 Sai số trung phương tương đối cạnh 1:50000

3 Sai số trung phương tuyệt đối cạnh dưới 400m 0,012m

5 Sai số trung phương phương vị cạnh dưới 400 mét 10 “

Sai số trung bình vị trí mặt phẳng của điểm khống chế đo vẽ sau bình sai so với điểm khống chế toạ độ từ điểm địa chính trở lên gần nhất không quá 0,10 mm tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập

Đối với khu vực đất ở đô thị sai số nói trên không vượt quá 6 cm cho

tỷ lệ 1:500; 1:1000 và 4 cm cho 1:200

Sai số trung bình về độ cao của điểm khống chế đo vẽ (nếu có yêu cầu thể hiện địa hình) sau bình sai so với điểm độ cao kỹ thuật gần nhất không quá 1/10 khoảng cao đều đường bình độ cơ bản

Yêu cầu cơ bản của bản đồ địa chính là thể hiện chính xác vị trí, kích thước và diện tích thửa đất Trong cơ sở dữ liệu bản đồ thì toạ độ các điểm

đặc trưng thửa đất là quan trọng nhất Số liệu ở bản đồ số chỉ tồn tại số liệu

đo đạc, như vậy độ chính xác các điểm khống chế sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến

độ chính xác xác định diện tích thửa đất Theo quy định của quy phạm ta có:

- Sai số trung phương vị trí mặt phẳng của điểm khống chế đo vẽ sau bình sai so với điểm không chế toạ độ nhà nước gần nhất không vượt quá 0,1

mm tính theo tỉ lệ bản đồ cần thành lập ở vùng ẩn khuất sai số nói trên không quá 0.15mm

- Sai số trung phương độ cao của điểm không chế đo vẽ sau bình sai so với điểm độ cao nhà nước gần nhất không vượt quá 1/10 khoảng cao đều

đường bình độ cơ bản

- Sai số trung bình vị trí mặt phẳng của các điểm trên ranh giới thửa

đất biểu thị trên bản đồ địa chính so với điểm của lưới khống chế đo vẽ gần nhất không lớn hơn 0.5mm trên bản đồ, đối với các địa vật còn lại không vượt quá 0.7mm

- Sai số tương hỗ giữa các ranh giới thửa đất, giữa các điểm trên cùng ranh giới thửa đất, sai số độ dài cạnh thửa đất không vượt quá 0.4mm trên bản đồ địa chính

Sai số trung bình vị trí các điểm trên ranh giới thửa đất biểu thị trên bản đồ địa chính số so với vị trí của điểm khống chế đo vẽ (hoặc điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp) gần nhất không được vượt quá:

5 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200

7 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:500

15 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:1000

30 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:2000

150 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:5000

300 cm đối với bản đồ địa chính tỷ lệ 1:10000

Quy định sai số nêu trên ở tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000 áp dụng

cho trường hợp đo vẽ đất đô thị và đất khu vực có giá trị kinh tế cao; trường

hợp đo vẽ đất khu dân cư nông thôn ở tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000 các sai số

nêu trên được phép tới 1,5 lần; trường hợp đo vẽ đất nông nghiệp ở tỷ lệ

1:1000 và 1:2000 các sai số nêu trên được phép tới 2 lần

Yêu cầu trên là cơ sở cho việc ước tính độ chính xác của các cấp lưới

toạ độ địa chính Việc ước tính độ chính xác lưới khống chế cần đảm bảo

nguyên tắc cơ bản sau:

- Đáp ứng yêu cầu độ chính xác các yếu tố cần quản lý với đất đai

- ảnh hưởng của sai số lưới cấp cao đến độ chính xác lưới cấp thấp là

không đáng kể để khi bình sai mạng lưới cấp thấp không phải xét đến sai số

số liệu gốc

Đối với lưới khống chế đo vẽ

Lưới khống chế đo vẽ được phát triển dựa trên các điểm toạ độ địa

chính từ cấp II đối với lưới khống chế đo vẽ cấp 1 và từ lưới khống chế đo vẽ

cấp 1 đối với lưới khống chế đo vẽ cấp 2 (Phụ lục: 1.2) Các chỉ tiêu kỹ thuật

3 Chiều dài từ điểm khởi tớnh đến điểm nỳt hoặc giữa

hai điểm nỳt khụng lớn hơn

5 km

5 Chiều dài cạnh đường chuyền

+ Lớn nhất khụng quỏ

+ Nhỏ nhất khụng quỏ

1400 m 200m

7 Sai số tương đối đo cạnh sau bỡnh sai khụng lớn hơn

Đối với cạnh dưới 400m khụng quỏ

1: 50 000 0,012 m

8 Sai số giới hạn khộp gúc đường chuyền hoặc vũng

khộp khụng lớn hơn (n - số gúc trong đường chuyền

Lưới địa chính đo bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày

đặc, đồ hình chuỗi tam giác, chuỗi tứ giác được đo nối (tiếp điểm) với ít nhất

3 điểm hạng cao hoặc các cặp điểm thông hướng được đo nối (tiếp điểm) với

ít nhất 2 điểm hạng cao; khoảng cách giữa các điểm hạng cao không quá 10

km

Khi tính khái lược phải đảm bảo các chỉ tiêu sau:

- Lời giải được chấp nhận: Fixed

- Ratio: > 1,5

- Rms: < 0,02+0.004*S km

- Reference Variance: < 30,0

- RDOP: < 0,1

Chỉ tiêu Ratio chỉ xem xét đến khi lời giải là Fixed

Chỉ tiêu RDOP chỉ xem xét đến khi các chỉ tiêu khác không đạt được để

quyết định xử lý lại hay phải đo lại

Khi một trong các giá trị Reference Variance hoặc Rms vượt quá các

chỉ tiêu nói trên nhưng không quá 1,5 lần thì phải tiến hành tính khép tam

giác, đa giác và bình sai sơ bộ để quyết định phải tính lại, loại bỏ hay đo lại

Trong trường hợp đặc biệt cũng không được phép vượt quá 2 lần hạn sai cho

phép Số cạnh có một trong 2 giá trị nêu trên vượt quá 2 lần hạn sai cho phép

không được chiếm quá 10% tổng số cạnh trong lưới

Được phép thay đổi giá trị mặc định của tham số lọc (edit multiplier) nhưng không được phép nhỏ hơn 2,5

Được phép cắt bỏ các tín hiệu vệ tinh thu được ở các vị trí thấp so với

đường chân trời (elevation cut off) nhưng không được phép vượt quá 300

1.3 Các dạng lưới toạ độ địa chính cơ bản

Theo công nghệ truyền thống lưới tọa độ địa chính được xác định gồm

3 cấp dựa vào lưới hạng I, II nhà nước để xây dựng bao gồm: lưới địa chính cơ sở, địa chính cấp 1, địa chính cấp 2 và các lưới khống chế đo vẽ gồm từ một đến hai cấp Hiện nay, việc xây dựng lưới địa chính cơ sở đã sử dụng hoàn toàn công nghệ GPS nhưng đối với lưới địa chính 1, 2 thấp hơn thì vẫn

sử dụng phương pháp đường chuyền đo cạnh bằng máy toàn đạc điện tử (xem tham khảo đồ hình tại các Phụ lục 1.1 và 1.2)

Lưới địa chính được xây dựng bằng phương pháp đường chuyền hoặc bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, tứ giác để làm cơ sở phát triển lưới khống chế đo vẽ

Lưới địa chính phải được đo nối với ít nhất 2 điểm toạ độ Nhà nước có

độ chính xác từ điểm địa chính cơ sở hoặc từ điểm hạng IV Nhà nước trở lên

Khi xây dựng lưới địa chính bằng phương pháp đường chuyền thì ưu tiên bố trí ở dạng duỗi thẳng, hệ số gẫy khúc của đường chuyền không quá 1.8; cạnh đường chuyền không cắt chéo nhau; độ dài cạnh đường chuyền liền

kề không chênh nhau quá 1,5 lần, cá biệt không quá 2 lần, góc đo nối phương

vị tại điểm đầu đường chuyền phải lớn hơn 200 và phải đo nối với tối thiểu 02 phương vị (ở đầu và cuối của đường chuyền) Trong trường hợp đặc biệt có thể

đo nối với 01 phương vị nhưng số lượng điểm khép toạ độ phải nhiều hơn 2

điểm (có ít nhất 3 điểm gốc trong đó có 01 điểm được đo nối phương vị) Bố trí thiết kế các điểm đường chuyền phải đảm bảo chặt chẽ về kỹ thuật nhưng ít

điểm ngoặt, tia ngắm phải cách xa các địa vật để giảm ảnh hưởng chiết quang

1.3.1 Lưới tọa độ địa chính đảm bảo sai số trung phương chiều dài

cạnh thửa đất [6.]:

Trong bản đồ địa chính thì điểm địa vật quan trọng nhất chính là điểm trưng trên đường biên thửa đất và kích thước quan trọng nhất chính là chiều dài cạnh thửa đất Chúng ta biết rằng:

- Sai số trung bình có độ lớn bằng bố phần năm sai số trung phương nên theo quy phạm quy định sai số trung bình vị trí điểm chi tiết là 0.5 mm thì khi đó sai số trung phương sẽ là m = 0.625 mm trên bản đồ

Đối với những điểm đo chi tiết được đo tù cùng một trạm máy thì sai

số vị trí của chúng là phụ thuộc lẫn nhau, khi đó sai số tương hỗ sẽ nhỏ hơn sai số vị trí vì đã được loại trừ ảnh hưởng sai số của điểm trạm đo, sai số

điểm định hướng, sai số định hướng chỉ còn sai số đo chi tiết

Đối với những vùng nằm giáp ranh giữa hai trạm máy – các điểm này

có thể đo được từ hai trạm máy khác nhau thì chúng độc lập với nhau lúc này sai số trung phương ương hỗ vị trí sẽ là:

Mth = m (1.1) Tuy nhiên trong bản đồ địa chính kích thước thửa đất quan trọng hơn quan hệ tương hỗ giữa các điểm địa vật Kích thước thửa đất được hiểu là chiều dài cạnh thửa hoặc chiều dài đường chéo thửa đất Khi biết tọa độ

điểm góc thửa, coi rằng các điểm đo là cùng độ chính xác thì ta có sai số vị trí điểm có quan hệ với sai số tọa độ như sau:

≤ 0.2mm Gọi sai số trung phương tổng hợp do ảnh hưởng của các cấp lưới khống chế đến cấp lưới khống chế cuối cùng là mc, sai số trung phương đo

điểm chi tiết là là mct, hệ số giảm độ chính xác k = 2.2 vậy ta có sai số trung phương vị trí điểm cấp lưới thứ i là:

mi =

) 1 ( 2 4

2

) 1 (

i c

k k

k k

Như vậy, để đỏp ứng yờu cầu độ chớnh xỏc chiều dài cạnh thửa đất ta phải xõy dựng lưới địa chớnh cấp 1, 2 thỏa món cụng thức (1.3)

1.3.2 Lưới tọa độ địa chớnh đảm bảo độ chớnh xỏc diện tớch thửa đất [6.]

Trong công tác thành lập bản đồ địa chính, quản lý đất đai, diện tích thửa đất là yếu tố quan trọng Độ chính xác xác định diện tính thửa đất thường chấp nhận ở tỉ lệ là 1% đến 2% Hiện nay, trong quy phạm thường chỉ nêu sai số diện tích trên bản đồ theo công thức:

Trong công thức trên chỉ nói tới độ chênh của kết quả đo diện tích bản

đồ trên giấy Độ chính xác thực tế phụ thuộc vào sai số đo vẽ bản đồ Với bản

đồ tỉ lệ lớn, diện tích được xác định theo toạ độ ranh thửa, với công thức:

P = ∑

+

n i

i i

i i

D m

2

) 1 ( + 2

m p

Như vậy, khi hệ số k càng lớn thì đòi hỏi độ chính xác xác định vị trí góc thửa càng cao

Chương 2: Hệ THốNG GPS

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan hàng không và vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT

được sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm

định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của

hệ TRANSIT Tuy nhiên, hệ thống này không thoả mãn được các ứng dụng

đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System) gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm

24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có

hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hoá rộng rãi) và một

hệ thống tương lai sẽ cạnh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của cộng đồng Châu Âu

ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 90 Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn Sông Bé, Cà Mau[6.] Những năm sau đó công nghệ GPS đã

đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30.000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác

Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong

công tác đo lưới khống chế Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày

càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý

số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc

địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày

càng đơn giản, hiệu qủa

2.1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG GPS

GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không

gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là Đoạn (Segment):

- Đoạn Không Gian (Space Segment),

- Đoạn điều khiển (Control Segment),

- Đoạn người sử dụng (User Segment)

2.1.1 Đoạn khụng gian

Đoạn không gian bao gồm các vệ

tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các

quỹ đạo xác định quanh trái đất Vệ tinh

được đưa vào bay trong 6 mặt phẳng quĩ

đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo

trái đất, mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 hoặc

5 vệ tinh (xem hình 2.1.1) Quĩ đạo vệ tinh

gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm

(20.200km), chu kỳ 718 phút Mỗi vệ tinh

có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ

đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm

Hình 2.1: Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ

thống GPS

2.1.2 Đoạn điều khiển

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

1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station) Trạm chủ

đặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Spring, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu được từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi

Hình 2 2: Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ trạm chủ và truyền tới các vệ tinhhàng ngày qua các trạm theo dõi (xem hình 2.2)

Hình 2.3 Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển

2 1 3 Đoạn người sử dụng

Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm

xử lý tính toán số liệu Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo

Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng cuả máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng Tâm pha của anten là

điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ

Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập

số liệu ở thực địa

2.2 TíN HIệU GPS

Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ Sóng điện từ được dùng cho mục đích

đo đạc có những thông số đặc trưng, được nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu cầu kỹ thuật khác Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là bước sóng, tần số và các mã điều biến trên sóng tải [7.]

2.2.1 Tần số cơ bản

Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là

fo = 10.23 MHz

2.2.2 Các thông tin điều biến

Việc sử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt

động mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt Máy thu GPS nhận dạng được tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không xác định của không gian bao quanh trạm đo, điều đó cho phép tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn Có 3 loại mã điều biến trên sóng tải đó là: C/A.Code (Coarse Acquisition), P.Code và Y.Code

+ C/A Code- mã sơ bộ Mã C/A.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN)

được phát đi với tần số 1.023 MHz (fo/10) Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên lặp lại với tần suất 1/1000giây Mỗi vệ tinh

được gán 1 mã C/A.Code riêng biệt Mã C/A.Code chỉ được điều biến trên sóng tải L1 Phương trình giải mã C/A không bảo mật do vậy mã C/A.Code thông dụng trong nhiều máy thu dân sự dùng để dẫn đường và lập bản đồ tỷ

lệ nhỏ

+ P.Code - mã chính xác P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai,

phát đi với tần số cơ bản fo = 10.23 MHz Mã này tạo bởi nhiều chuỗi chữ số

0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu nhiên Tín hiệu này lặp lại với tần suất

267 ngày Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn dành riêng cho mục đích vận hành Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh P-Code cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo

đạc quân sự có độ chính xác cao

+ Y.Code Y.Code là mã bảo mật của P.Code Việc giải mã Y.Code chỉ

thuộc về người dùng có thẩm quyền Vì vậy khi kích hoạt Y.Code thì người dùng sẽ không có khả năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code Việc sử dụng Y.Code được coi là mã bảo mật (Anti-Spoofing) của người chủ hệ thống GPS

2.2.3 Các loại sóng tải của hệ thống GPS

Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS được điều biến sóng tải có các độ dài bước sóng khác nhau Đó là các thông tin về thời gian

và vị trí của vệ tinh Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số tải

- Sóng tải có bước sóng L1~19cm với tần số 54*fo =1575,42 MHz

- Sóng tải có bước sóng L2~24,4cm với tần số 120*fo=1227,60 MHz Mã C/A Code chỉ điều biến trên sóng tải L1,

Mã chính xác P.Code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2

2.3 CáC TRị ĐO GPS

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của

vệ tinh truyền tới Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc

đo đạc chia thành 2 nhóm bao gồm:

Trị đo Code (C/A Code và P.Code)

Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát đi từ vệ tinh, so sánh với tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu lan truyền từ vệ tinh tới náy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu

đến các vệ tinh được xác định bằng công thức:

D= c.t +cδt+ δ (2.1) trong đó:

- c là vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s,

- t là thời gian truyền tín hiệu,

- δt là lượng hiệu chỉnh do sai số sự không đồng bộ đồng hồ máy thu

và vệ tinh,

- δ là lượng hiệu chỉnh do môi trường

Việc xác định theo trị đo Code có thể diễm tả như hình 2.4

Thời gian truyền súng Hình 2.4: Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS

2.4 NGUYÊN Lý ĐịNH Vị GPS

Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể của việc xác định toạ độ người ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản:

định vị tuyệt đối và định vị tương đối

2.4.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn)

Khác biệt hẳn so với các phương pháp đo đạc truyền thống, việc định vị một điểm nào đó không cần đến các trị đo góc, cạnh thông thường mà sử dụng các trị đo Code và trị đo pha nêu trên Khi đặt máy ở điểm bất kỳ thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh

được xác định và toạ độ của điểm đo được xác định trong hệ toạ độ GPS Nguyên lý định vị điểm đặt anten máy thu được mô tả như hình 2.5

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên định vị điểm đơn

Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ độ của các vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu Về mặt hình học có thể mô tả

sự định vị tại một thời điểm như sau:

- Nếu có 1 vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vị trí

vệ tinh, có bán kính bằng khoảng cách đo được từ vệ tinh đến máy thu;

- Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu thứ 2 có tâm là vệ tinh thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu Kết hợp trị đo đến 2 vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ nằm trên giao của của 2 mặt cầu trong không gian - đó là 1 đường tròn;

- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của mặt cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên - kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong không gian

- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 nghiệm duy nhất đó chính là vị trí của điểm đo trong không gian

Như vậy, ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo trong không gian 3 chiều Biểu thức toán học của việc định vị như sau:

D= (Xs - Xr)2+ (Ys - Yr)2 + (Zs - Zr)2 + c(δ t - δ T) + σatm + σ (2.2)

Trong đó :

- D là khoảng đo được từ vệ tinh đến máy thu,

- Xs,Ys,Zs là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh,

- Xr Yr Zr là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu,

- c là tốc độ truyền sóng ( tốc độ ánh sáng),

- δ t là độ lệch tuyệt đối đồng hồ máy thu,

- δ T là độ lệch tuyệt đối đồng hồ vệ tinh,

- σatm là sai số do khí quyển,

- σ là tổng hợp các sai số khác

Với 1 vệ tinh có thể thành lập được 1 phương trình kiểu (2.2) Với 3 ẩn

số Xr Yr Zr là toạ độ điểm cần đo và ẩn số thứ 4 là độ lệch tương đối đồng

hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu (δ t - δ T) thì tại mỗi điểm đo cần thu tín hiệu

ít nhất 4 vệ tinh khoẻ thì toạ độ điểm đo mới xác định được khi số vệ tinh thu được tín hiệu lớn hơn 4 và số lần thu tín hiệu lớn hơn 1 lần thì vị trí điểm

đo được giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất [7.]

2.4.2 Định vị tương đối

Như ta đã biết, do ảnh hưởng của sai số vị trí của các vệ tinh trên quỹ

đạo, do sai số đồng hồ và các yếu tố môi trường truyền sóng khác dẫn đến

độ chính xác định vị điểm đơn đạt từ 100m đến 30m trong hệ toạ độ WGS

84 Ngay cả khi chính phủ Mỹ loại bỏ nhiễu SA thì việc định vị tuyệt đối chính xác nhất cũng chỉ đạt tới con số vài chục mét Với độ chính xác này không thể áp dụng cho công tác trắc địa Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS trong đo đạc trắc địa có độ chính xác cao đó là

định vị tương đối Sự khác của phương pháp định vị này là ở chỗ phải sử dụng tối thiểu 2 máy thu tín hiệu vệ tinh đồng thời và kết quả của phương pháp không phải là toạ độ điểm trong hệ toạ độ GPS mà là véc tơ không gian

(Baseline) nối 2 điểm đạt máy thu hay nói chính xác là các thành phần số gia

đến toạ độ của điểm cần xác định trong bài toán định vị tuyệt đối như sai số

đồng hồ vệ tinh, máy thu, sai số toạ độ vệ tinh, ảnh hưởng của môi trường Phương pháp ở đây là lấy hiệu trị đo trực tiếp để tạo thành trị đo mới (các sai phân) để loại trừ hoặc giảm bớt các sai số kể trên

2.5 CáC NGUồN SAI Số

Cũng như bất kỳ một phương pháp đo đạc khác, việc định vị bằng hệ thống GPS chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau

2.5.1 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Toạ độ điểm đo GPS được tính dựa vào vị trí đã biết của vệ tinh Người

sử dụng phải dựa vào lịch thông báo toạ vệ tinh mà theo lịch toạ độ vệ tinh

có thể bị sai số Do vậy nếu sử dụng quỹ đạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn Có hai phương án nhằm hoàn thiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:

- Sử dụng những trạm mặt đất có vị trí chính xác làm những điểm chuẩn để tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh dành cho công tác đo đạc đặc biệt

- Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris) từ Dịch vụ Địa

động học GPS Quốc tế (The International GPS Service for IGS)

Geodynamics-Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm theo dõi tinh chỉnh quỹ đạo vệ tinh Hệ thống này cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch

vệ tinh thông báo (broadcast ephemeris) của hệ thống GPS chỉ có 5 trạm theo dõi vệ tinh

2.5.2 ảnh hưởng của tầng ion

Tín hiệu vệ tinh trước khi đến máy thu phải xuyên qua môi trường không gian gồm các tầng khác nhau Tầng ion là lớp chứa các hạt tích điện trong bầu khí quyển ở độ cao từ 50 - 1000 km, tầng ion có tính chất khúc xạ

đối với sóng điện từ, chiết suất của tầng ion tỷ lệ với tần số sóng điện từ truyền qua nó Do vậy trị đo của máy thu 2 tần số cho phép giảm ảnh hưởng tán sắc của tầng ion

Hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng ion đối với trị đo của máy thu tần số L1 phải dựa vào các tham số mô hình phát đi trong thông báo vệ tinh, tuy nhiên chỉ giảm được khoảng 50% ảnh hưởng tầng ion

Với máy thu 2 tần số ảnh hưởng tầng ion, trị đo giải trừ do đó việc định

vị có độ chính xác cao hơn, nhất là đối với việc đo cạnh dài

2.5.3 ảnh hưởng của tầng đối lưu

Tầng đối lưu có độ cao đến 8 km so với mặt đất là tầng làm khúc xạ đối với tin hiệu GPS do chiết suất biến đổi Do vậy, số cải chính mô hình khí quyển phải được áp dụng đối với trị đo của máy một tần số và cả máy hai tần

số Chiết suất của tầng đối lưu sinh ra độ chậm pha tín hiệu, được chia thành hai loại ướt và khô ảnh hưởng chiết suất khô được tạo mô hình và loại trừ, nhưng ảnh hưởng của chiết suất ướt là nguồn sai số khó lập mô hình và loại

bỏ trong trị đo GPS Mô hình Hopfield là mô hình tầng đối lưu của khí quyển được áp dụng phổ biến nhất khi xử lý trong đo GPS

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

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

đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó có một số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho số nguyên lần bước sóng thay

đổi và làm sai kết quả định vị Do đó, cần phải phát hiện và xác định sự trượt

chu kỳ trong tín hiệu GPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ

và thêm vào số hiệu chỉnh tương ứng khi xử lý số liệu Mặt khác, khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùng sai phân bậc ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ

2.5.5 Hiện tượng đa tuyến (Multipath)

Đó là những tín hiệu từ vệ tinh không đến thẳng anten máy thu mà đập vào bề mặt phản xạ nào đó xung quanh rồi mới đến máy thu Như vậy, kết quả đo không đúng Để tránh hiện tượng này anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150 Việc chọn ngưỡng góc cao 150này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khí quyển và hiện tượng đa tuyến Khi bố trí điểm đo cần cách xa các địa vật có khả năng phản xạ gây hiện tượng đa tuyến như hồ nước, nhà cao tầng, xe cộ, đường dây

điện, mái nhà kim loại Hầu hết anten GPS gắn bản (mâm anten) dạng phẳng, tròn che chắn tín hiệu phản xạ từ dưới mặt đất lên

2.5.6 Sự suy giảm độ chính xác (DOPs) do đồ hình các vệ tinh

Ta biết việc định vị GPS là việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa vào điểm gốc là các vệ tinh và các khoảng cách tương ứng đến máy thu Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bố hình học cân đối trên bầu trời xung quanh điểm đo Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh gọi là hệ số phân tán độ chính xác - hệ số DOP (Delution of Precision) Chỉ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tỷ diện tạo thành giữa các vệ tinh và máy thu Chỉ số DOP chia ra các loại [7.]:

- PDOP chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí (Positional DOP),

- TDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian (Time DOP),

- HDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về mặt phẳng (Horizontal DOP),

- VDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về cao độ (Vertical DOP),

- GDOP - chỉ số phân tán độ chính xác về hình học (Geometric DOP)

Đồ hình phân bố vệ tinh được thiết kế sao cho chỉ số PDOP đạt xấp xỉ 2.5 với xác xuất 90% thời gian Đồ hình vệ tinh đạt yêu cầu với chỉ số PDOP < 6

2.5.7 Các sai số do người đo

Khi đo GPS, tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc điểm đo theo đường dây dọi Anten phải đặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chính xác Đo chiều cao anten không đúng thường là lỗi hay mắc phải của người đo GPS Ngay cả khi xác định toạ độ phẳng đo chiều cao cũng quan trọng vì GPS là hệ thống định vị

3 chiều, sai số chiều cao sẽ lan truyền sang vị trí mặt phẳng và ngược lại

Một loại sai số đo khác nữa là nhiễu trong trị đo GPS Nguyên nhân là

do phần mạch điện tử và sự suy giảm độ chính xác cuả máy thu Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cung cấp dữ liệu sạch hơn

2.5.8 Tâm pha của anten

Tâm pha là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tín hiệu trong mạch điện Các trị đo khoảng cách được tính vào điểm này Điều này có ý nghĩa quan trọng đối với công tác trắc địa ở nhà máy chế tạo, anten đã được kiểm định sao cho tâm pha trùng với tâm hình học của nó Tuy nhiên, tâm pha thay đổi vị trí phụ thuộc vào đồ hình vệ tinh

ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng mô hình tâm pha

ở giai đoạn tính xử lý Quy định cần phải tuân theo là khi đặt anten cần dóng theo cùng một hướng (thường là hướng Bắc) và tốt nhất sử dụng cùng một loại anten cho cùng một ca đo các nguồn lỗi và biện pháp khắc phục

- Đồng hồ vệ tinh Sai phõn bậc một

- Đồ hỡnh vệ tinh chọn thời gian đo cú PDOP < 6

2 Phụ thuộc đường tớn hiệu

- Tầng đối lưu Lập mụ hỡnh

- Số đa trị nguyờn Xỏc định đơn trị, sai phõn bậc3

- Trượt chu kỳ Trỏnh vật cản, sai phõn bậc3

- Đa tuyến Trỏnh phản xạ, ngưỡng gúc cao

3 Phụ thuộc mỏy thu

- Chiều cao anten Đo 2 lần khi đo độ cao anten

- Cấu hỡnh mỏy thu Chỳ ý khi lắp đặt

- Tõm pha anten Anten chuẩn, đặt quay về 1 hướng

- Nhiễu điện tử Trỏnh bức xạ điện từ (súng cao tần)

- Toạ độ quy chiếu Khống chế chớnh xỏc, tin cậy

- Chiều dài cạnh Bố trớ cạnh ngắn

2.6.1 Đo GPS tuyệt đối

Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong

hệ toạ độ toàn cầu WGS-84 Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ của

điểm đo nhờ việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo đ−ợc từ các vệ tinh đến máy thu và toạ độ của các vệ tinh tại thời điểm đo Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp, không dùng đ−ợc cho việc đo đạc chính xác, dùng chủ yếu cho việc dẫn

đường, và các mục đích đạc có yêu cầu độ chính xác không cao Đối với phương pháp này chỉ sử dụng 1 máy thu tín hiệu vệ tinh

2.6.2 Đo GPS tương đối

Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu toạ độ không gian của 2

điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của khoảng cách cần đo (Baseline) Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên

được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác

đo đạc bản đồ các tỷ lệ Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tương đối sau:

2.6.2.2 Đo GPS tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian

đo ngắn hơn Gọi là đo nhanh - tăng tốc độ đo là do giải nhanh được số đa trị nguyên Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo code Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8' ữ30' phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh Số vệ tinh nhiều hơn 4 bảo đảm trị đo dư với đồ hình

vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số đa trị nguyên và giảm thời gian định vị

Hiện nay các hãng sản xuất đã có loại máy thu đo tĩnh nhanh với tần

số L1 - C/A Code Hãng Trimble đã phát triển kỹ thuật đo tĩnh nhanh với máy thu 4600 LS (tần số L1) , và 4800 (tần số L1, L2)

2.7 TOạ Độ Và Hệ QUI CHIếU [2.]

Hình dạng trái đất theo quan niệm của thuyết đẳng tĩnh thì trái đất là một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái đất quay sẽ có dạng ellipsoid và thế trọng trường trên mặt ellipsoid trái đất sẽ bằng nhau Điều này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái đất và lực ly tâm do chuyển động quay của nó Một ellipsoid có hình dạng phù hợp với geoid trái đất phải là ellipsoid phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu Ellipsoid được chọn làm hệ toạ độ định vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu này được hệ định

vị GPS sử dụng gọi là Hệ Trắc Địa Thế Giới 1984 (WGS-84) Hệ toạ độ này dùng ellipsoid địa tâm xác định bởi bán trục lớn a=6378137.0 m và nghịch

đảo độ dẹt 1/f = 298.257223563

Ellipsoid trái đất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên của trái đất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái đất Mỗi hệ toạ độ địa phương đều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản đồ tức

là xác định một phương thức biểu thị một điểm trên mặt đất tự nhiên so với mặt quy chiếu đó

Hệ định vị GPS cho toạ độ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu B, L, H hoặc các gia số toạ độ trên trong hệ toạ độ toàn cầu WGS84

Do đó cần phải áp dụng phép tính chuyển toạ độ để chuyển toạ độ từ hệ toạ độ GPS (WGS 84) về hệ toạ độ qui chiếu địa phương

Toạ độ không gian địa phương (3 chiều) còn ở dạng được gọi là hệ

thống "2 + 1" Nghĩa là toạ độ trắc địa B và L xác định độc lập với độ cao

h

Do đó bài toán tính chuyển toạ độ GPS B, L H về hệ toạ độ địa phương

yêu cầu một dạng tính chuyển toạ độ trong khi đó độ cao lại đòi hỏi dạng

tính chuyển hoàn toàn khác ΔX, ΔY, ΔZ

Việc biến đổi toạ độ WGS 84 về toạ độ địa phương thực hiện qua 3 giai

đoạn

1 Toạ độ vuông góc không gian X,Y,Z hoặc (ΔX, ΔY, ΔZ) thuộc hệ

WGS84 đổi thành toạ độ B, L, H hoặc (ΔB, ΔL, ΔH) thuộc hệ WGS 84 sau

đó áp dụng 7 tham số tính chuyển về toạ độ không gian địa phương

2 Toạ độ không gian địa phương tính đổi thành toạ độ trắc địa

3 Tọa độ trắc địa sau đó tính chuyển đổi thành toạ độ phẳng qua phép

chiếu bản đồ

Phép tính chuyển độ cao có sự khác biệt do độ cao xác định trên

Elipsoid WGS84 là bề mặt có phương trình toán học còn độ cao sử dụng

thực tế lại là độ cao thuỷ chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước

biển trung bình - một bề mặt không mô tả được bằng phương trình toán học

Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao ellipsoid WGS84

về độ cao địa phương bằng cộng thêm độ chênh Geoid-Ellipsoid tại điểm

đó:

H = h +N (2.3) Trong công thức (2.7), H là độ cao tính đến mặt Elipsoid - là độ cao có

thể đo chính xác được chính xác bằng công nghệ GPS; h là độ cao thuỷ

chuẩn, được sử dụng thực tế, N là độ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và Ellipsoid

tại điểm đó Dựa vào số liệu đo trọng lực toàn thế giới người ta đã lập ra mô

hình Geoid toàn cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Elipsoid

phục vụ cho việc tính độ cao bằng công nghệ GPS Song do bề mặt Geoid

biến đổi phức tạp, số liệu đo trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác

định độ cao trong đo GPS còn đang được hoàn thiện thêm để kết quả đạt yêu

cầu sử dụng