Luận văn thạc sĩ xây dựng lưới khống chế địa chính bằng công nghệ GPS huyện a lưới tỉnh thừa thiên huế

Lưới trắc ñịa là hệ thống các ñiểm ñược ñánh dấu bằng các mốc chôn trên mặt ñất , vị trí của các mốc này ñược xác ñịnh thống nhất trong một hệ thống tọa ñộ và ñộ cao.. Mục ñích xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

LỜI CAM ðOAN

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

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

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Thắng

LỜI CẢM ƠN

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

Ban giám hiệu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, lãnh ñạo Viện Sau ðại học, Khoa Tài nguyên và Môi trường, cùng các Thầy Cô giáo ñã giảng dạy, truyền ñạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường

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

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

ñề tài

Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưa nhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của quý Thầy Cô ñể ñề tài hoàn thiện hơn

Tác giả luận văn

Nguyễn Trọng Thắng

II.1 Khỏi quỏt chung về lưới khống chế ủịa chớnh 4 II.1.1 Mục đích xây dựng lưới trắc địa mặt bằng nhà nước 4 II.1.2 Nguyên tắc xây dựng lưới trắc địa mặt bằng nhà nước 4 II.1.3 Vai trũ của lưới trắc ủịa mặt bằng nhà nước 5 II.2 Cỏc phương phỏp xõy dựng lưới khống chế mặt bằng 6

II.3 Khỏi quỏ cụng tỏc xõy dựng lưới trắc ủịa bằng phương phỏp trắc ủịa vệ tinh ở

II.4 Nguyờn lý hoạt ủộng của hệ thống ủịnh vị GPS 14

II.5.1 ðo khoảng cỏch giả theo C/A – code và P – code 19

II.6.1 ðịnh vị tuyệt ñối 23

II.7 Các loại sai số chủ yếu trong kết quả ño GPS 29

II.7.2 Sai số của do tầng ñiện ly và tầng ñối lưu 30 II.7.3 Sai số do nhiễu xạ của các tín hiệu vệ tinh 31

II.8 Xây dựng lưới khống chế ñịa chính bằng công nghệ GPS 33

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DOP : Dilution of Precision

ðộ mất chính xác GPS : Global Positioning System

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

ðộ mất chính xác theo phương ngang PDOP : Position Dilution of Precision

ðộ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D

Ratio : Tỉ số phương sai

Reference Variance : ðộ chênh lệch tham khảo

Rms : Sai số chiều dài cạnh

VDOP : Vertiacal Dilution of Precision

ðộ mất chính xác theo phương dọc

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

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

VTNT : Vệ tinh nhân tạo

GCNQSDð : Giấy chứng nhận quyền sử dụng ñất

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Tên bảng Trang

2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật trong xây dựng lưới GPS 10

4.4 Bảng thống kê phân loại khó khăn ñiểm ñịa chính 65

4.16 Sơ ñồ 2 mạng lưới huyện A Lưới 89

4.18 Cửa sổ Trimnet tính toán bình sai lưới 90

I MỞ ðẦU I.1 Tính cấp thiết của ñề tài:

ðất ñai là tài nguyên quốc gia vô cùng quý giá, là tư liệu sản xuất ñặc biệt, là thành phần quan trọng hàng ñầu của môi trường sống, là ñịa bàn phân

bố các khu dân cư, xây dựng các cơ sở kinh tế, văn hóa và an ninh quốc phòng và ñặc biệt ñất ñai ngày càng có vai trò ñặc biệt quan trọng trong sự phát triển nền kinh tế - xã hội của ñất nước Khi xã hội càng phát triển thì con người càng nhận thức ñược giá trị của ñất ñai và Nhà nước cũng càng cần phải có biện pháp quản lý sử dụng ñầy ñủ, hợp lý có hiệu quả hơn nguồn tài nguyên ñất ñai

Khảo sát, ño ñạc lập bản ñồ ñịa chính là một trong những nội dung quản lý nhà nước về ñất ñai ñã ñược ghi tại Khoản 2, ðiều 6 của Luật ðất ñai năm 2003 Nội dung, chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn của các cấp, các ngành trong việc thực hiện khảo sát, ño ñạc, lập và quản lý bản ñồ ñịa chính ñã ñược quy ñịnh tại ðiều 19 của Luật ñất ñai năm 2003

Căn cứ Luật ñất ñai năm 2003, Nghị ñịnh 181/2004/Nð-CP ngày 29 tháng 10 năm 2004 của Chính phủ về thi hành Luật ðất ñai, Bộ Tài nguyên và Môi trường ñã ban hành Quyết ñịnh số 08/2008/Qð-BTNMT ngày 10/11/2008 về ban hành Quy phạm thành lập bản ñồ ñịa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 thay thế Quy phạm thành lập bản

ñồ ñịa chính tỷ lệ 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1:10000 và 1:25000 ban hành tại Quyết ñịnh số 720/1999/Qð-ðC ngày 30/12/1999 của Tổng cục trưởng Tổng cục ðịa chính

Từ xa xưa, ông cha ta ñã biết dùng các công cụ thô sơ ñể ño vẽ lập bản

ñồ phục vụ cho công tác quản lý ñất ñai Xã hội ngày càng phát triển cùng với

sự phát triển của khoa học công nghệ, con người ñã biết sử dụng máy móc, thiết bị kỹ thuật hiện ñại cho công tác xây dựng lưới tọa ñộ ñịa chính các cấp

ựể phục vụ công tác thành lập bản ựồ như: máy kinh vĩ, máy toàn ựạc ựiện tử đến nay, ựặc biệt công nghệ GPS (Global Positioning System Ờ Hệ thống ựịnh vị toàn cầu) ựã ựược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong ựó việc ứng dụng công nghệ GPS cho công tác xây dựng lưới khống chế trắc ựịa phục vụ việc thành lập bản ựồ ựịa chắnh ựã thể hiện sự vượt trội về mọi mặt: kinh tế, kỹ thuật, khoa học công nghệ so với phương pháp ựo ựạc truyền thống Công nghệ GPS có các tắnh năng ưu việt: Có thể xác ựịnh tọa ựộ của các ựiểm từ ựiểm gốc khác mà không cần thông hướng, tắnh tự ựộng hóa trong

ựo ựạc và xử lý kết quả ựo, ựộ chắnh xác cao, ựơn giản tiện lợi, tiết kiệm thời gian, chi phắ thấp, có thể thực hiện trong mọi ựiều kiện ựịa hình và ựặc biệt là

ở vùng ựồi núi cao mà không cần tầm nhìn thông hướng giữa các ựiểm ựo Huyện A Lưới là huyện miền núi nằm ở phắa tây của tỉnh Thừa Thiên Huế bao gồm 1 thị trấn và 20 xã với tổng diện tắch tự nhiên 122463.6 ha

Vị trắ ựịa lý:

Từ : 160ồ 01Ỗ ựến 160ồ 24Ỗ Vĩ ựộ Bắc

107ồ 05Ỗ ựến 107ồ 32Ỗ Kinh ựộ đông

+ Phắa Bắc giáp huyện đắc Krông tỉnh Quảng Trị

+ Phắa Nam giáp huyện Nam đông của tỉnh Thừa Thiên Huế

+ Phắa đông giáp huyện Phong điền, Hương Trà, Hương Thuỷ của tỉnh Thừa Thiên Huế

+ Phắa Tây giáp Cộng hoà dân chủ nhân dân Lào

Với sự phát triển kinh tế xã hội của huyện ngày càng nhanh chóng, do tác ựộng của quá trình quy hoạch, xây dựng trung tâm huyện lỵ, mặt bằng ựất ựai ựã biến ựộng nhiều Mặt khác hệ thống bản ựồ giải thửa, bản ựồ ựịa chắnh trước ựây lại ựo ựạc ựã lâu, công nghệ cũ, không ựồng bộ và không ựược chỉnh lý biến ựộng nên thiếu ựộ chắnh xác không còn phù hợp với hiện trạng

sử dụng ựất và tình hình quản lý ựất ựai trong giai ựoạn hiện nay Việc xây

dựng hệ thống lưới khống chế khu vực phục vụ thành lập bản ñồ ñịa chính phục vụ cho công tác quản lý ñất ñai ở huyện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế là một yêu cầu cấp thiết

ðể mở rộng khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào thực tế sản xuất trên ñịa bàn vùng núi của tỉnh Thừa Thiên Huế, ñược sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Lê Minh Tá – Giảng viên khoa Trắc ðịa Trường ñại học Mỏ ðịa

chất, chúng tôi tiến hành nghiên cứu, thực hiện ñề tài: “Xây dựng lưới khống chế

ñịa chính bằng công nghệ GPS huyện Huyện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế”

I.2 Mục ñích - yêu cầu

I.2.1 Mục ñích:

Nghiên cứu tìm hiểu khả năng ứng dụng công nghệ GPS vào việc xây dựng lưới khống chế ñịa chính huyện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế

I.2.2 Yêu cầu

Xây dựng lưới khống chế ñịa chính trên ñịa bàn huyện A Lưới tỉnh Thừa Thiên Huế Phân tích, ñánh giá ñộ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng lưới ñịa chính ở khu vực miền núi tỉnh Thừa Thiên Huế

+ Lưới thiết kế phải ñảm bảo yêu cầu quy phạm, phù hợp thuận lợi với yêu cầu của khu vực ño vẽ, có tính khả thi và hiệu quả kinh tế

+ Các số liệu ño ñạc phải chính xác, trung thực, khách quan

+ Các kết quả tính toán, ñánh giá ñộ chính xác của lưới phải ñạt yêu cầu theo quy trình quy phạm hiện hành

+ Các kết quả kiểm tra, nghiệm thu theo ñúng theo quy ñịnh của Bộ Tài nguyên và Môi trường

II TỔNG QUAN CÁC VẤN ðỀ NGHIÊN CỨU

II.1 Khái quát chung lưới khống chế trắc ñịa mặt bằng nhà nước

Lưới trắc ñịa là hệ thống các ñiểm ñược ñánh dấu bằng các mốc chôn trên mặt ñất , vị trí của các mốc này ñược xác ñịnh thống nhất trong một hệ thống tọa

ñộ và ñộ cao

II.1.1 Mục ñích xây dựng lưới trắc ñịa mặt bằng nhà nước;

Nghiên cứu chi tiết hình dáng và thể trọng trường trái ñất cũng như sự thay ñổi của nó theo thời gian;

Thiết lập hệ toạ ñộ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thoả mãn những yêu cầu chung;

Làm cơ sở ñể xây dựng lưới khống chế ño vẽ các loại bản ñồ ñịa hình ,ñịa chính với các loại tỷ lệ khác nhau

II.1.2 Nguyên tắc xây dựng lưới trắc ñịa mặt bằng nhà nước

Do lưới trắc ñịa quốc gia phải ñảm bảo các nhiệm vụ kỹ thuật nên việc xây dựng lưới trắc ñịa quốc gia phải ñảm bảo những nguyên tắc sau:

- Phải dày ñặc và bao phủ toàn quốc;

- Phải có ñủ mật ñộ ñiểm cần thiết;

- Lưới trắc ñịa cơ sở Nhà nước có ñộ chính xác cao;

- Phải ñược xây dựng ñảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật

Mỗi quốc gia ñều có những phương án xây dựng lưới khống chế mặt bằng khác nhau, những quốc gia nhỏ thường xây dựng lưới tam giác dày ñặc, những quốc gia lớn thường xây dựng phương án khoá tam giác

Lưới khống chế mặt bằng thường ñược xây dựng từ toàn diện ñến cục

bộ, từ ñộ chính xác cao ñến ñộ chính xác thấp trước hết người ta xây dựng mạng lưới ñiểm khống chế có mật ñộ thưa và ñộ chính xác cao phủ chùm toàn

bộ lãnh thổ cần nghiên cứu, sau ñó chêm dày bằng các lưới khống chế có mật

xác ñáp ứng nhu cầu của công tác trắc ñịa ño vẽ các loại bản ñồ ở các tỷ lệ khác nhau

Lưới khống chế mặt bằng ñịa phương là lưới thiết kế riêng cho một khu vực chưa có hoặc quá xa các ñiểm toạ ñộ Nhà nước

Lưới chuyên dùng là lưới thiết kế riêng cho một khu vực hoặc mục ñích kinh tế, quốc phòng

Lưới toạ ñộ Nhà nước Việt Nam hiện nay ñược xây dựng gồm 3 cấp ñó là: Lưới hạng I, hạng II và lưới ñịa chính cơ sở

Ngày nay với sự tiền bộ của khoa học kỹ thuật hiện ñại do ñó lưới ñịa chính cơ sở ñược ño bằng công nghệ GPS với ñộ chính xác cao do vậy cần tuân thủ một số nguyên tắc sau:

ðảm bảo ñủ mật ñộ ñiểm ñịa chính cơ sở cần thiết ñể phát triển lưới ñịa chính Lưới phải ñược ño nối với các ñiểm toạ ñộ Nhà nước hạng I, hạng II ít nhất 03 ñiểm Các ñiểm hạng cao phải phân bố ñều trên mạng lưới

Lưới có thể thiết kế dạng ñường chuyền, chuỗi tam giác hoặc mạng lưới tam giác dày ñặc Các ñiểm của mạng lưới tốt nhất là chọn từng cặp thông hướng với nhau ñể thuận tiện cho việc ño nối sau này Các ñiểm ñịa chính cơ sở phải ñảm bảo góc nhìn bầu trời tại ñiểm quan sát không bị che khuất là 1500 và cách xa các ñài phát sóng từ 500m trở lên ñể tránh bị nhiễu Các ñiểm cũ của lưới hạng III Nhà nước có trong khu ño ñược dùng vào mạng lưới và ño như các ñiểm mới

Mốc toạ ñộ ñịa chính cơ sở là loại mốc bê tông chôn sâu dưới ñất và ñược xây dựng theo tiêu chuẩn ñược Nhà nước quy ñịnh

II.1.3 Vai trò của lưới trắc ñịa mặt bằng nhà nước;

- Nghiên cứu chi tiết hình dáng và thể trọng trường của trái ñất và những

thay ñổi của chung theo thời gian

- Thiết lập hệ tọa ñộ thống nhất trên phạm vi toàn quốc nhằm thỏa mãn

những yêu cầu chung về bảo ñảm tọa ñộ của kinh tế và quốc phòng

- Làm cơ sở ñể xây dựng lưới khống chế ño vẽ các loại bản ñồ tỷ lệ nhỏ ñến tỷ lệ cơ bản quốc gia

- ðịnh lượng cho các công tác nghiên cứu khoa học và kỹ thuật về trái ñất

như ñịa chất , ñịa ñộng học, bảo vệ môi trường vv

II.2 Các phương pháp xây dựng lưới khống chế mặt bằng;

II.2.1 Lưới tam giác ño góc;

Lưới tam giác ño góc ñược ứng dụng ñầu tiên ở Hà Lan vào năm 1916 Thời gian này ño cạnh có ñộ chính xác cao là việc khó khăn cho nên người ta chọn ñồ hình cơ bản của lưới hình tam giác, tứ giác trắc ñịa và ña giác trung tâm Phương pháp tam giác ñã ñược ứng dụng ñể nhanh chóng có lưới hạng cao bao phủ toàn lãnh thổ phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học và các nhiêm vụ kĩ thuật của lưới Trắc ñịa mặt bằng

Lưới tam giác ño góc có nhiều trị do thừa ,ñộ chính xác tính chuyền cạnh

và phương vị trong lưới cao và khá ñồng ñều ðộ chính xác vị trí ñiểm trong lưới cũng khá ñồng ñều.Vì vậy lưới tam giác là hình thức lưới chủ yếu của hầu hết các quốc gia

II.2.2 Lưới tam giác ño cạnh;

ðồ hình cơ bản trong lưới tam giác ño cạnh vẫn là hình tam giác nhưng ñể có nhiều trị ño thừa người ta hay chọn tứ giác trắc ñịa hoặc ña giác trung tâm làm ñồ hình cơ bản của lưới tam giác ño cạnh Khi ñộ chính xác ño cạnh tương ñương như ñộ chính xác ño góc, sai số trung phương của các yếu

tố trong lưới ño cạnh lớn gấp 2¸ 3 lần so với lưới ño góc

Trong thực tế, nhiều lưới trắc ñịa mặt bằng lớn có dạng tổng hợp cả hai dạng lưới cơ bản nói trên Lưới tam giác ño cạnh nói riêng và lưới ño góc cạnh có ñộ chính xác tốt, các yếu tố trong lưới ít chịu ảnh hưởng của kết cấu hình học của lưới Lưới ño góc cạnh có ưu ñiểm của cả hai dạng lưới cơ bản

II.2.3 Lưới ñường chuyền;

Trong chuyên môn trắc ñịa , lưới ña giác còn gọi là lưới ñường chuyền

ðồ hình cơ bản của dạng lưới này là các ñường gãy khúc liên kết với nhau thành lưới có các ñiểm nút Người ta ño trực tiếp chiều dài các cạnh và góc ngoặt rồi dựa vào phương vị gốc và tọa ñộ gốc ñể tính ra tọa ñộ các ñiểm còn lại

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

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

Lưới ñường chuyền chọn ñiểm linh hoạt hơn nhưng ñiều kiện ràng buộc ít hơn nên ñộ chính xác các yếu tố của lưới kém lưới ño góc Từ những năm 1960 trở lại ñây phương tiện ño cạnh có nhiều cải tiến, ñặc biệt từ khi có các máy toàn ñạc ñiện tử (Total station) vừa ño góc vừa ño cạnh có ñộ chính xác cao nên phương pháp ña giác ñược dùng khá phổ biến

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

là “ñường chuyền phù hợp”, “lưới ñường chuyền” và “ñường chuyền khép kín” ðối với khu vực ño kéo dài, hai ñầu có các ñiểm khống chế cấp cao thì dùng dạng ñường chuyền phù hợp Những yêu cầu kỹ thuật cơ bản của ñường chuyền ðường chuyền hạng I xây dựng theo các vòng khép kín ðường chuyền hạng II xây dựng bên trong các vòng khép ñường chuyền hoặc khoá tam giác hạng I ở dạng lưới

Những ñiểm ñường chuyền hạng III ñược xác ñịnh trên cơ sở những ñiểm tam giác, ñường chuyền hạng cao bằng các tuyến ñường ñơn hoặc hệ

thống các ñường chuyền có một hoặc nhiều ñiểm nút

II.2.4 Lưới trắc ñịa vệ tinh

ðể xây dựng lưới có cạnh dài hoặc nối các lưới ở xa với nhau với ñộ chính xác cao từ những năm 60 của thế kỷ XX ra ñời một phương pháp mới là lưới trắc ñịa vệ tinh

ðầu tiên người ta chụp ảnh VTNT trên nền sao, xác ñịnh hướng ñiểm

ngắm ñến vệ tinh, khoảng cách từ ñiểm ngắm ñến vệ tinh ñược ño bằng các máy

ño khoảng cách Laser ñến vệ tinh Sai số vị trí ñiểm mặt ñất cần ñịnh vị từ chỗ

±100 mét ðến thâp kỉ 70 với kĩ thuật Doppler vệ tinh, ñộ chính xác ñịnh vị ñạt

cỡ vài deximet Hiện nay với công nghệ GPS ñộ chính xác ñịnh vị tuyệt ñối có

thể ñạt ± 10 m tuỳ thuộc vào loại thiết bị với 32 vệ tinh, còn ñộ chính xác ñịnh

vị tương ñối có thể ñạt centimet thậm chí vài milimet

Các ñiểm ñịnh vị vệ tinh không cần thông hướng, khoảng cách giữa các ñiểm từ vài trăm met ñến hàng ngàn km mà lại bất kì lúc nào,bất kì ở nơi ñâu,nếu thu ñược tín hiệu vệ tinh tốt ñều có thể ñịnh vị ñiểm mặt ñất

Vì những lý do kể trên, trên thế giới và ở Việt nam, lưới Trắc ñịa vệ tinh ñược thành lập bằng công nghệ GPS từ cấp cao nhất là cấp "0" và ñến cả cấp

khống chế thấp nhất là lưới khống chế ño chi tiết

II.3 Khái quá công tác xây dựng lưới trắc ñịa bằng phương pháp trắc ñịa

vệ tinh ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam

II.3.1 Trên thế giới

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân ñội Hoa Kỳ ñã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn ñường và ñịnh vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống ñịnh vị dẫn ñường bằng vệ tinh thế hệ ñầu tiên là hệ thống TRANSIT

Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt ñộng theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT ñược sử dụng trong thương mại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau ñó TRANSIT bắt ñầu ứng dụng trong trắc ñịa Việc thiết lập mạng lưới ñiểm ñịnh vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT

ðịnh vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà ñộ chính xác chỉ ñạt khoảng 1m Do vậy trong trắc ñịa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Hệ này không thoả mãn ñược

các ứng dụng ño ñạc thông dụng như ño ñạc bản ñồ, các công trình dân dụng Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống ñịnh vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra ñời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging - Global Positioning System), ñược gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái ñất theo những quỹ ñạo xác ñịnh

ðộ chính xác ñịnh vị bằng hệ thống này ñược nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược ñiểm về thời gian quan trắc ñã ñược khắc phục Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai ñoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt ñầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm 1978 ñến năm 1985 có 11 vệ tinh Block I ñã ñược phóng lên quỹ ñạo Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I ñã hết thời hạn sử dụng Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt ñầu ñược phóng vào năm

1989 Sau giai ñoạn này 24 vệ tinh này ñã triển khai trên 6 quỹ ñạo nghiêng

550 so với mặt phẳng xích ñạo trái ñất với chu kỳ gần 12 giờ ở ñộ cao xấp xỉ 12.600 dặm (20.200km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III ñược thiết kế thay thế những vệ tinh Block II ñược phóng lần ñầu vào năm 1995 Cho ñến nay ñã có

32 vệ tinh của hệ thống GPS ñang hoạt ñộng trên quỹ ñạo

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS ñang hoạt ñộng còn có

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

hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO của Cộng ñồng Châu Âu và hệ thống bắc ñẩu của Trung Quốc Năm 1983 bằng công nghệ GPS người ta xây dựng mạng lưới trắc ñịa ở Eifel (CHLB ðức) Tiếp theo ñó nhiều mạng lưới cũng ñược xây dựng ở Montgomery Country, Pennsylvani (Mỹ)… Ưu ñiểm chủ yếu và quan trọng nhất của công nghệ GPS là có thể xác ñịnh ñược các véc tơ cạnh giữa các ñiểm trắc ñịa với ñộ chính xác cao mà không ñòi hỏi sự thông hướng giữa các ñiểm ñó Ngay từ những năm 90 của thế kỷ XX, khi hiểu ñược lợi thế của

GPS người ta ñã nói rằng, công nghệ GPS ñã ñưa các phương pháp xây dựng lưới trắc ñịa truyền thống thành “Những con khủng long thời tiền sử” ðẻ hướng dẫn thành lập lưới GPS tiểu ban lưới trắc ñịa (FGCS) của hiệp hội trắc ñịa quốc tế ñã nghiên cứu và xuất bản “tiêu chuẩn ñộ chính xác trắc ñịa hình học và hướng dẫn sử dụng kỹ thuật ñịnh vị GPS tương ñối” (Geometric Geodetic Accuracy Standards and Specification for using GPS Relative Positioning Techniques) và tài liệu “Các tiêu chuẩn và hướng dẫn ñối với lưới khóng chế trắc ñịa” (Standards Standards and Specification for Geodetic Contron Networks) Cho ñến nay nhiều nước trên thế giới ñã coi GPS là phương pháp chủ yếu trong xây dựng các mạng lưới trắc ñịa

Bằng kỹ thuật ño tương ñối tĩnh, người ta có thể xây dựng ñược các mạng lưới có cạnh dài ñến hàng nghìn km Khung toạ ñộ quốc tế ITRF (International Celestial Reference Frame) thực chất là mạng lưới có cạnh dài như vậy Bằng công nghệ GPS các nước châu Âu ñã cùng nhau xây dựng khung toạ ñộ châu Âu gọi là EUREF (European Referance Frame) Từ khi GPS ñược sử dụng trong trắc ñịa, một số quy tắc và tiêu chuẩn phân cấp lưới toạ ñộ trước ñây ñã bị thay ñổi Năm 1988, người ta ñã phân cấp và ñưa ra các chỉ tiêu cho các dạng lưới như sau:

Bảng 2.1

ðộ chính xác Sai số cơ

khu vực và toàn cầu

AA 0.3 0.01 1:100000000

Hệ quy chiếu toạ ñộ quốc

gia, lưới cấp hai

A 0.5 0.1 1:10000000

Hệ quy chiếu toạ ñộ quốc B 0.8 1 1:1000000

3

1.0 2.0 3.0 5.0

10 1:100000

20 1:50000

50 1:20000

100 1:10000 Trong quy trình kỹ thuật ño GPS ở khu vực thành phố của Trung Quốc (1997) ñã ñưa ra một số tiêu chuẩn kỹ thuật lưới GPS như sau:

Cấp hạng Chiều dài cạnh a (mm) b (10-6) Sai số trung phương

tương ñối cạnh yếu

Các mạng lưới tĩnh là các mạng lưới có các mốc cố ñịnh trên mặt ñất ñược ño với ñộ chính xác cao và là cơ sở trắc ñịa trải rộng liên tục trên một diện tích nhất ñịnh Các số liệu của các ñiểm trong mạng lưới ñược gọi là không ñổi và không có sai số Các mạng lưới này thường có ñộ chính xác ño chiều dài cạnh cỡ 1:250000 và ño ñộ cao cỡ một vài mm trên 1km Có thể thấy rằng các mạng lưới này thuộc hệ thống lưới toạ ñộ và ñộ cao Nhà nước Các mạng lưới ñộng là các mạng lưới gồm một số ñiểm cố ñịnh có vai trò là các trạm theo dõi (Moniter Stations) làm cơ sở ñể xác ñịnh toạ ñộ cho nhiều ñiểm khác Các ñiểm cần xác ñịnh toạ ñộ cũng có thể là các ñiểm chuyển ñộng cần xác ñịnh toạ ñộ tức thời Với ý tưởng này từ nguyên tắc ño

GPS vi phân (DGPS) người ta ñã xây dựng hệ ñịnh vị vi phân diện rộng WADGPS (Wide – Area diferentital GPS) hệ thống ACS của Canada Canadian Active Coltrol System) là một ví dụ về loại lưới này Mạng ACS ñược xây dựng bắt ñầu năm 1985, bao gồm 20 trạm theo dõi bố trí ñều có trạm chủ ñặt tại Ottawa Hiện nay một số nước ñã phát triển kỹ thuật ñịnh vị ñộng với các trạm tham chiếu ảo VRS (Virtual Reference Station)

II.3.2 Tại Việt Nam

Năm 1990, cục ño ñạc và bản ñồ Nhà nước ñã quyết ñịnh ứng dụng công nghệ GPS ñể ñổi mới công nghệ xây dựng lưới toạ ñộ Sau khi thử nghiệm thành công, công nghệ GPS ñược áp dụng ngay vào sản xuất ñể thi công lưới toạ ñộ cạnh ngắn Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên gồm 117 ñiểm ðây là những ñịa bàn còn lại chưa có lưới toạ ñộ vì không ñủ ñiều kiện

ñể thi công theo công nghệ ño ñạc truyền thống

Năm 1991, công nghệ GPS khoảng cách dài ñược thử nghiệm thành công, từ năm 1991 – 1992 chúng ta ñã sử dụng công nghệ GPS ñể xây dựng một số mạng lưới hạng II ở những vùng khó khăn (Minh Hải, Tây Nguyên…) Sử dụng GPS ñể xây dựng lưới trắc ñịa biển gồm 36 ñiểm ño nối tất cả các ñảo, quần ñảo lớn với ñất liền trong ñó có 23 ñiểm trên quần ñảo Trường Sa, kết nối ñất liền với hải ñảo xa trong một hệ thống toạ ñộ chung Năm 1995, Tổng cục ñịa chính ñã quyết ñịnh xây dựng lưới toạ ñộ cấp

“0” bằng công nghệ GPS cạnh dài (bằng máy 2 tần) với chiều dài cạnh trung bình khoảng 120 km gồm 71 ñiểm trong ñó có 56 ñiểm trùng các ñiểm toạ ñộ hạng I, hạng II ñã ño; Trong số các ñiểm mới ño có một ñiểm gốc mới ở Hà Nội Lưới toạ ñộ cấp “0” ñóng vai trò kiểm tra chất lượng các lưới toạ ñộ hạng I, hạng II ñã xây dựng, kết nối thống nhất và tằng cường ñộ chính xác cho các lưới toạ ñộ cũ, xây dựng hệ quy chiếu ñộ chính xác cao, làm cơ sở ño nối toạ ñộ với các lưới quốc tế

Hệ quy chiếu và Hệ toạ ñộ Quốc gia là cơ sở toán học của công tác trắc ñịa và bản ñồ mà mỗi quốc gia nhất thiết phải xác lập ñể thể hiện ñộ chính xác

và thống nhất các dữ liệu ño ñạc và bản ñồ Hệ quy chiếu và hệ toạ ñộ quốc gia HN- 72 ñến giai ñoạn này không còn ñáp ứng ñược các yêu cầu kỹ thuật

mà thực tế ñòi hỏi Do ñó việc lựa chọn một hệ quy chiếu Quốc gia mới phù hợp và chính xác là nhiệm vụ bức xúc ñược Tổng cục ñịa chính ñặc biệt quan tâm Công nghệ GPS ñã ñóng góp ñáng kể trong việc thực hiện nhiệm vụ trên Công trình tính toán xác ñịnh hệ quy chiếu hợp lý cho Việt Nam, bình sai hệ thống lưới toạ ñộ Nhà nước ñể thống nhất hệ toạ ñộ Quốc gia ñược bắt ñầu từ năm 1992 Năm 1998, Tổng cục ñịa chính ño ñạc bổ sung, tích hợp lưới toạ ñộ cấp “0”, ñịnh vị hệ quy chiếu bằng trị ño GPS - thuỷ chuẩn, xây dựng mô hình Geoid, kết nối với các lưới quốc tế, bình sai hỗn hợp lưới vệ tinh - mặt ñất ñể xác ñịnh Hệ quy chiếu và Hệ toạ ñộ Quốc gia

Từ năm 1995, ñể phục vụ cho công tác ño ñạc lập bản ñồ ñịa chính ở ñịa phương, Tổng cục ðịa chính bắt ñầu triển khai xây dựng lưới ñịa chính cơ

sở (tương ñương lưới toạ ñộ Quốc gia hạng III), Việc tính toán bình sai tổng thể mạng lới ñã hoàn thành vào năm 2004 Bộ Tài nguyên và Môi trường ñã kết thúc công tác xây dựng mạng lưới ñịa chính cơ sở và chính thức công bố hoàn thành (gồm 13.836 ñiểm) Toàn bộ lưới toạ ñộ này ñược ño ñạc bằng công nghệ GPS

Hiện nay Cục ðo ñạc và Bản ñồ Việt Nam ñã ñươc ñầu tư xây dựng 6 trạm GPS cố ñịnh: ðồ Sơn, Vũng Tàu, Lai Châu, Hà Giang, Cao Bằng, Quảng Nam cung cấp số liệu cải chính phân sai cho ño toạ ñộ bằng công nghệ GPS trong ño vẽ bản ñồ, ñiều tra Tài nguyên, phân giới cắm mốc và phục vụ

an ninh quốc phòng

Hiện nay công nghệ GPS ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi trong công tác xây dựng lưới ñịa chính và lưới khống chế ño vẽ ñể thành lập bản ñồ

ñịa chính các tỷ lệ tại một số ñịa phương Qua thực tế thấy rằng công nghệ này có chiều hướng phát triển tốt, khả năng ứng dụng cao, ñem lại hiệu quả cả

về kỹ thuật và kinh tế Các chỉ tiêu thành lập lưới ñịa chính bằng công nghệ GPS ñã ñược quy ñịnh tại Quyết ñịnh 08/2008/Qð-BTNMT ngày 10 tháng 11 năm 2008 của Bộ Tài ngyên và Môi trường

II.4 Nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống ñịnh vị GPS

Tên tiếng Anh ñầy ñủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging

Global Positioning System Hệ thống GPS gồm 03 bộ phận cấu thành ñó là: ðoạn không gian, ñoạn ñiều khiển và ñoạn sử dụng;

Hình 2.1: Các thành phần của GPS

II.4.1 ðoạn không gian (Space Segment):

ðoạn không gian bao gồm các vệ tinh chuyển ñộng trên 6 mặt phẳng quỹ ñạo, ở ñộ cao khoảng 20200 km Mặt phẳng quỹ ñào nghiêng so với mặt phẳng xích ñạo một góc 550 Vệ tinh chuyển ñộng trên quỹ ñạo gần như tròn với chu kỳ 718 phút Theo thiết kế hệ thống gồm 24 vệ tinh, trên mỗi quỹ ñạo

có 4 vệ tinh Với sự phân bố vệ tinh trên quỹ ñạo như vậy, trong bất kỳ thời gian nào và ở bất kỳ vị trí nào trên trái ñất ñều thu ñược tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh GPS

Hình 2.2: Chuyển ñộng của vệ tinh trên quỹ ñạo Chương trình ñưa các vệ tinh lên quỹ ñạo ñược chia làm các khối như sau: Khối I, II, II-A, II-R và II-F Tính ñến năm 1998 chỉ còn lại 3 vệ tinh của khối I cùng với các vệ tinh của khối II cùng II-A làm việc Năng lượng cung cấp cho hoạt ñộng của các thiết bị vệ tinh là năng lượng pin mặt trời

Các vệ tinh GPS có trọng lượng khoảng 1600 kg khi phóng và khoảng

800 kg trên quỹ ñạo Theo thiết kế tuổi thọ của các vệ tinh khoảng 7,5 năm Các vệ tinh của khối sau có trọng lượng lớn hơn và tuổi thọ cũng dài hơn tuổi thọ của các vệt tinh trước ñó

Mỗi vệ tinh thuộc khối I ñược trang bị 4 ñồng hồ nguyên tử, 2 ñồng hò thuộc loại censium và 2 ñồng hồ thuộc loại rubidium Thêm vào ñó mỗi ñồng

hồ ñược trang bị thêm bộ tạo dao ñộng thạch anh rất chính xác

Tất cả các vệ tinh GPS ñều có thiết bị tạo dao ñộng với tần số chuẩn cơ

sở f0 = 10,23 Mhz Tần số này còn là tần số chuẩn của ñồng hồ nguyên tử, với

ñộ chính xác cỡ 10-12 Từ tần số chuẩn f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần số sóng tải

L1 và L2:

Sóng tải L1 có tần số f1= 154f0=1575,42 Mhz, có bước sóng λ1= 19,032 cm Sóng tải L2 có tần số f2= 120f0=1227,60 Mhz, có bước sóng λ2= 24,42 cm Các sóng tải L1 và L2 thuộc dải sóng cực ngắn Với tần số lớn như vậy các các tín hiệu sẽ ít bị ảnh hưởng của tầng ñiện ly (tầng Ion) và tầng ñối lưu

vì mức ñộ làm chậm tín hiệu do tầng ñiện ly tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số

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

và Y-code

C/A code (Coarse/Acusition code) là code thô cho phép sử dụng rộng rãi C/A code mang tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1,023 Mhz) tương ứng với bước sóng 293 mét C/A code chỉ ñiều biến sóng tải L1, song nếu có sự can thiệp của trạm ñiều khiển trên mặt ñất có thể chuyển sang cả L2 Chu kỳ của C/A code là 1 mili giây, trong ñó có chứa

1023 bite, mỗi vệ tinh phát ñi một code khác nhau

P-code (Pricision code) là code chính xác ñiều biến cả sóng tải L1 và L2

có ñộ dài cỡ 1014 bite và là code tựa ngẫu nhiên PRN-code (Psudorandom Noise) Tín hiệu của P-code có tần số ñúng bằng tần số chuẩn f0 (10,23 Mhz) tương ứng với bước sóng 29,3 mét Mỗi vệ tinh sử dụng một ñoạn code này (tương ñương với ñộ dài một tuần lễ gọi là “code tuần lễ”) Code tựa ngẫu nhiên là cơ sở ñể ñịnh vị tuyệt ñối khoảng cách giả, ñồng thời có thể dựa vào

ñó ñể nhận biết ñược số hiệu vệ tinh P-code ñược dùng cho mục ñích quân sự của Mỹ và chỉ ñược sử dụng vào mục ñích khác khi Mỹ cho phép

Y-code là code bí mật phủ lên P-code nhằm giưc bí mật kỹ thuật gọi là

kỹ thuật AS (Anti- Spoofing) Chỉ có các vệ tinh thuộc khối II mới có khả năng này Ngoài các tần số trên, các vệ tinh GPS còn có thể trao ñổi với các trạm ñiều khiển trên mặt ñất qua các tần số 1783,74 Mhz và 1227,75 Mhz ñể truyền các thông tin ñạo hàng và các lệnh ñiều khiển tới vệ tinh Tất cả các code ñược khởi tạo lại sau mỗi tuần lễ vào ñúng nửa ñêm thứ 7, như vậy tuần

lễ GPS là ñơn vị thời gian lớn nhất trong công nghệ GPS

Hình 2.3: Cấu trúc tín hiệu GPS

II.4.2 ðoạn ñiều khiển (Control Segment):

Có 5 trạm ñiều khiển trên mặt ñất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein, có chức năng như sau:

- Cả 5 trạm ựều theo dõi vệ tinh trong ựó có 4 trạm giám sát có nhiệm vụ truyền dữ liệu ựến trạm ựiều khiển chắnh

- Trạm ựặt tại Colorado Springs là trạm ựiều khiển chắnh (MSC) Tại ựó dữ liệu theo dõi ựược xử lý nhằm tắnh tọa ựộ và số hiệu chỉnh ựồng hồ vệ tinh

- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh Dữ liệu bao gồm các bảng lịch và thông tin số hiệu chỉnh ựồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải

Hình 2.4: Các trạm ựiều khiển GPS

II.4.3 đoạn sử dụng (User segment):

đoạn sử dụng bao gồm các máy móc, thiết bị nhận thông tin từ vệ tinh

ựể khai thác sử dụng cho các mục ựắch và yêu cầu khác nhau của người sử dụng như: Dẫn ựường trên biển, trên không, trên ựất liền và phục vụ cho công tác ựo ựạc ở nhiều nơi trên thế giới đó có thể là một máy thu riêng biệt, hoạt ựộng ựộc lập (trong ựịnh vị tuyệt ựối), hay một nhóm từ hai máy thu trở lên hoạt ựộng ựồng thời theo một lịch trình thời gian nhất ựịnh (trường hợp ựịnh

vị tương ựối), hoặc có thể thu tắn hiệu GPS với một số thiết bị thu khác ựể thực hiện các kỹ thuật ựo ựộng thời gian thực (Real time Kinematic-RTK), ựo

vi phân DGPS (Diferentital-GPS), ựo vi phân diện rộng WADGPS

(Wide-Hình 2.5: Máy thu TRIMBLE 4600

II.5 Các ñại lượng ño

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

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

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

II.5.1 ðo khoảng cách giả theo C/A – code và P – code

Code tựa ngẫu nhiên ñược phát ñi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên ñúng như vậy Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác ñịnh ñược khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ ñó dễ dàng xác ñịnh ñược khoảng cách từ vệ tinh ñến máy thu (ñến tâm anten của máy thu) Do có sự không ñồng bộ giữa ñồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian ño ñược không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, ñó là khoảng cách giả

Hình 2.6: Xác ñịnh hiệu số giữa các thời ñiểm

Nếu ký hiệu tọa ñộ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa ñộ của ñiểm xét (máy

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

không ñồng bộ giữa ñồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆ t, khoảng cách giả ño ñược là R, ta có phương trình:

Trong ñó, c là tốc ñộ lan truyền tín hiệu

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật ño khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách tương ứng khoảng 30m Nếu tính ñến ảnh hưởng của ñiều kiện lan truyền tín hiệu, sai số ño khoảng cách theo C/A code

sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận ñược ñể cho khách hàng dân sự ñược khai thác Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này ñã ñược phát triển ñến mức có thể ñảm bảo ñộ chính xác ño khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng ñại trà Chính vì lý do này mà trước ñây Chính phủ Mỹ ñã ñưa ra giải pháp SA ñể hạn chế khả năng thực tế của C/A code Nhưng ngày nay do kỹ

t c z z y

y x

x t

t

c

R = + ∆ = s − 2 + s − 2 + s − 2 + ∆

) (

) (

) (

Code chuyền từ vệ tinh

Code thu ñược

thuật ño GPS có thể khắc phục ñược nhiễu SA, Chính phủ Mỹ ñã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị ño GPS từ tháng 5 năm 2000

II.5.2 ðo pha sóng tải

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

Khi ñó ta có thể viết:

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

λ là bước sóng của sóng tải;

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

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

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

phải xác ñịnh trong thời gian ño

Trong trường hợp ño pha theo sóng tải L1 có thể xác ñịnh khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với ñộ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2 cho ñộ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm ñáng kể tầng ñiện ly và việc xác ñịnh số nguyên ña trị ñược ñơn giản hơn

) (

2

t c N

Hình 2.7: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu

II.6 Các phương pháp ñịnh vị

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái ñất hai lần trong một ngày theo một quỹ ñạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái ñất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính ñược chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu ñược phát ñi từ vệ tinh với thời gian nhận ñược chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu ở cách vệ tinh bao xa Với nhiều khoảng cách ño ñược tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính ñược vị trí của người dùng và hiển thị lên bản ñồ ñịên tử của máy Máy thu phải nhận ñược tín hiệu của ít nhất 3

vệ tinh ñể tính ra vị trí hai chiều (kinh ñộ và vĩ ñộ) và ñể theo dõi ñược chuyển ñộng Khi nhận ñược tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh thì máy thu có thể tính ñược vị trí 3 chiều (kinh ñộ, vĩ ñộ và ñộ cao) Một khi vị trí người dùng

ñã tính ñược thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc ñộ, hướng chuyển ñộng, khoảng hành trình, khoảng cách tới ñiểm ñến, thời gian mặt trời mọc, lặn…

Vậy tuỳ thuộc vào từng mục ựắch sử dụng mà chúng ta chia ra thành các phương pháp ựịnh vị khác nhau: - định vị tuyệt ựối

- định vị tương ựối

II.6.1 định vị tuyệt ựối

II.6.1.1 đo GPS tuyệt ựối;

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

Việc ựo GPS tuyệt ựối ựược thực hiện trên cơ sở sử dụng ựại lượng ựo

là khoảng cách giả từ vệ tinh ựến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các ựiểm ựã biết tọa ựộ là các vệ tinh

Nếu biết chắnh xác khoảng thời gian lan truyền tắn hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh ựến máy thu, ta sẽ tắnh ựược khoảng cách chắnh xác giữa vệ tinh và máy thu Khi ựó 3 khoảng cách ựược xác ựịnh ựồng thời từ 3 vệ tinh ựến máy thu sẽ cho ta vị trắ không gian ựơn trị của máy thu Song trên thực tế

cả ựồng hồ trên vệ tinh và ựồng hồ trong máy thu ựều có sai số, nên khoảng cách ựo ựược không phải là khoảng cách chắnh xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một ựiểm, nghĩa là không thể xác ựịnh ựược vị trắ của máy thu để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một ựại lượng ựo nữa, ựó

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

(xs1- x)2 +(ys1- y)2 +(zs1- z)2 = (R1-c∆t)2

(xs2- x)2 +(ys2- y)2 +(zs2- z)2 = (R2-c∆t)2

(xs3- x)2 +(ys3- y)2 +(zs3- z)2 = (R3-c∆t)2

(xs4- x)2 +(ys4- y)2 +(zs4- z)2 = (R4-c∆t)2

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

(2.3)

tuyệt ủối của mỏy thu, ngoài ra cũn xỏc ủịnh thờm ủược số hiệu chỉnh của ủồng hồ

Trờn thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt ủộng ủầy ủủ như hiện nay, số lượng vệ tinh mà cỏc mỏy thu quan sỏt ủược thường từ 6-8 vệ tinh, khi ủú nghiệm của phương trỡnh sẽ tỡm theo nguyờn lý số bỡnh phương nhỏ nhất

Hỡnh 2.8: Kỹ thuật ủịnh vị tuyệt ủối

II.6.1.2 ðo GPS vi phõn

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

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

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

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

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

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

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

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

lý chủ động và linh hoạt hơn

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

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

- Phương pháp xử lý sau (post processing)

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

và phát chuyển nhanh với tần suất cao, chẳng hạn để cho khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu được hiệu chỉnh đạt độ chính xác cỡ 5m thì số hiệu chỉnh phải được phát chuyển đi với tần suất 15 giây một lần Cũng với lý do này mà phạm vi hoạt động có hiệu quả của một máy thu cố định không phải là tuỳ ý,

mà thường hạn chế ở bán kính vài trăm km Người ta đ@ xây dựng hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số trạm cố

định để phục vụ nhu cầu định vị cho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương pháp định vị GPS vi phân có thể bảo đảm độ chính xác phổ biến cỡ vài ba mét đến dm

II.6.2 ðịnh vị tương ủối

II.6.2.1 ðo GPS tương ủối;

ðo GPS tương ủối là trường hợp sử dụng hai mỏy thu GPS ủặt ở hai ủiểm quan sỏt khỏc nhau ủể xỏc ủịnh ra hiệu tọa ủộ vuụng gúc khụng gian (∆X, ∆Y,

∆Z) hay hiệu tọa ủộ trắc ủịa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chỳng trong hệ tọa ủộ WGS-84

Nguyờn tắc ủo GPS tương ủối ủược thực hiện trờn cơ sở sử dụng ủại lượng ủo là pha của súng tải ðể ủạt ủược ủộ chớnh xỏc cao và rất cao cho kết quả xỏc ủịnh hiệu tọa ủộ giữa hai ủiểm xột, người ta ủó tạo ra và sử dụng cỏc sai phõn khỏc nhau cho pha súng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng ủến cỏc nguồn sai số khỏc nhau như: Sai số của ủồng hồ vệ tinh cũng như của mỏy

thu, sai số tọa ñộ vệ tinh, sai số số nguyên ña trị,

Ta ký hiệu Φ (ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j ño ñược tại trạm r vào thời ñiểm ti, khi ñó nếu hai trạm ño 1 và 2 ta quan sát ñồng thời vệ tinh j

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

∆1Φj(ti)= Φ2j(ti)- Φ1j(ti) (2.4)

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

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

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

Hiện nay hệ thống GPS có 24 vệ tinh hoạt ñộng Do vậy, tại mỗi thời ñiểm ta có thể quan sát ñược số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị ño, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong ño tương ñối thường khá dài vì vậy số lượng trị ño ñể xác ñịnh ra hiệu tọa ñộ giữa hai ñiểm là rất lớn, khi ñó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Hỡnh 2.9: Kỹ thuật ủịnh vị tương ủối

II.6.2.2 ðo tĩnh;

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

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

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

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

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

II.6.2.3 ðo ủộng;

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

vị tương đối

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

kỳ đo (epoch), được nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến Sự thay đổi đó tương đương với sự thay đổi khoảng cách địa diện

đến vệ tinh

Kết quả của định vị động là xác định được các điểm trên đường đi của máy thu di động so với máy thu cố định Trạm máy cố định được gọi là trạm tham khảo (reference)hay còn gọi là trạm BASE Máy thu đặt tại trạm này phải đảm bảo cố định trong suốt thời gian đo động Máy thu di động gọi là trạm ROVER, được di động trên các điểm đo cần xác định toạ độ (trên đất liền, trên không trung, trên biển) Trong thời gian đo, cả hai máy phải đảm bảo thu được liên tục ít nhất 5 vệ tinh chung Định vị động có thể sử dụng đối với trị đo khoảng cách giả hoặc trị đo pha sóng tải hoặc phối hợp cả hai loại trên Trong các trường hợp việc sử dụng pha sóng tải có độ chính xác cao hơn

Định vị động cần thực hiện thủ tục khởi đo trên mặt đất nhờ cặp điểm biết toạ độ Cặp điểm này thường được xác định trước nhờ đo tĩnh hoặc tĩnh nhanh Ngoài ra có thể khởi đo nhờ kỹ thuật OTF Trong quá trình đo, vì lý do nào đó số vệ tinh thu được ít hơn 5, sẽ bị mất khởi đo, trong trường hợp này phải thực hiện lại thủ tục khởi đo

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

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

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

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

được tính toán xử lý trong phòng do vậy không cần đến Radio Link, nhưng với

RTK thì thiết bị đó không thể thiếu được, nó đóng vai trò trong việc truyền đi tín hiệu chứa các số hiệu chỉnh về toạ độ từ trạm máy base

II.6.2.4 ðo giả ủộng

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

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

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

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

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

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

II.7 Cỏc loại sai số chủ yếu trong kết quả ủo GPS

II.7.1 Sai số của quỹ ủạo vệ tinh;

Chỳng ta ủó biết vệ tinh chuyển ủộng trờn quỹ ủạo xung quanh trỏi ủất chịu nhiều sự tỏc ủộng như ảnh hưởng của sự thay ủổi trọng trường trỏi ủất, ảnh hưởng của sức hỳt mặt Trăng, mặt Trời, Cỏc ảnh hưởng trờn sẽ tỏc ủộng tới quỹ ủạo của vệ tinh, khi ủú vệ tinh sẽ khụng chuyển ủộng hoàn toàn tuõn theo ủỳng 3 ủịnh luật Kepler Sai số quỹ ủạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn ủến kết quả ủịnh vị tuyệt ủối, song ủược khắc phục về cơ bản trong ủịnh

vị tương ñối hoặc vi phân

ðể biết ñược vị trí của vệ tinh trên quỹ ñạo thì người sử dụng có thể căn cứ vào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức ñộ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh ñược chia làm 3 loại là:

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

số khoảng vài km

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): ðược tạo lập dựa trên

5 trạm quan sát thuộc ñoạn ñiều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế ñộ nhiễu SA ñã ñược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

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

II.7.2 Sai số của do tầng ñiện ly và tầng ñối lưu;

Tín hiệu vệ tinh ñến máy thu ñi qua một quãng ñường lớn hơn 20.000km, trong ñó có tầng ñiện ly từ ñộ cao 50km tới ñộ cao 500km và tầng ñối lưu từ ñộ cao 50km ñến mặt ñất Khi tín hiệu ñi qua các tầng này có thể bị thay ñổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật ñộ ñiện tử tự do trong tầng ñiện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt ñộ và các bụi khí quyển trong tầng ñối lưu

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng ñiện ly, khi ñịnh vị tuyệt ñối có thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng ñối lưu có thể gây sai số khoảng 3m

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

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

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

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

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

mô hình của Hopfield ñược dùng rộng rãi

II.7.3 Sai số do nhiễu xạ của các tín hiệu vệ tinh;

Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau:

- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tông) gần máy thu

- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng ñiện từ khác

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

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

ðể khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế ñiểm ño cần bố trí xa các trạm phát sóng, các ñường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các rặng cây

II.7.4 Sai số của ñồng hồ;

Sai số của ñồng hồ vệ tinh, ñồng hồ máy thu và sự không ñồng bộ giữa ñồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai số ñồng hồ trong kết quả ño GPS, ñặc biệt là trong ñịnh vị tuyệt ñối

Các vệ tinh ñược trang bị ñồng hồ nguyên tử có ñộ chính xác cao, tính ñồng bộ về thời gian giữa các ñồng hồ vệ tinh ñược giữ trong khoảng 20 nano giây Còn các máy thu GPS ñược trang bị ñồng hồ thạch anh chất lượng cao (1 phần 104) ñặt bên trong

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