HỆ THỐNG ĐỊNH vị TOÀN cầu GPS,ỨNG DỤNG TRONG đo vẽ TRẮC địa, địa HÌNH

HỆ THỐNG ĐỊNH vị TOÀN cầu GPS,ỨNG DỤNG TRONG đo vẽ TRẮC địa, địa HÌNH, ý nghĩa thực tiễn, sai số, 2.1 Tình hình ứng dụng GPS trong thu thập dữ liệu không gian 18 2.1.1 Tình hình ứng dụng GPS trên thế giới 18 2.1.2 Tình hình ứng dụng GPS ở Việt Nam 18 2.2 Tìm hiểu về ứng dụng GPS trong đo vẽ trắc địa, địa hình 19 2.2.1 Thành lập lưới khống chế mặt bằng 19 2.2.2 Ứng dụng công nghệ GPS thành lập bản đồ địa chính 21 a.Xây dựng cá mạng lưới địa chính 21 b.Đo vẽ chi tiết bản đồ địa chính tỷ lệ lớn và trung bình 21

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA ĐỊA LÝ

BÀI TIỂU LUẬN : HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS,ỨNG DỤNG TRONG

ĐO VẼ TRẮC ĐỊA, ĐỊA HÌNH

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Quang Tuấn

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Thị Hồng Quyên

Đà Nẵng, 2015

Mục lục

PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay, nền khoa học công nghệ của nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới đã cónhững bước phát triển vượt bậc với những thành tựu to lớn, đã và đang được ứng dụng đểđáp ứng nhu cầu của con người Với sự phát triển như vũ bão của các lĩnh vực khoa họccông nghệ mũi nhọn như công nghệ vũ trụ, công nghệ nano, công nghệ sinh học,…mở ramột kỷ nguyên mới – kỷ nguyên con người tiến tới chế ngự và làm chủ thiên nhiên.Những tiến bộ của khoa học công nghệ hiện đại cho phép con người biến những ý tưởngsáng tạo nhất thành hiện thực Hình ảnh vật thể trên bề mặt trái đất được ghi nhận từ vệtinh cách xa hàng trăm km và được số hóa phục vụ trong công tác thành lập bản đồ cũngnhư giám sát các đối tượng trong công tác điều tra cơ bản và phát triển kinh tế xã hộingày càng được ứng dụng rộng rãi

Ở Việt Nam, các thiết bị thu tín hiệu vệ tinh đã được sử dụng và ứng dụng từ khá lâu Hệthống định vị toàn cầu GPS là hệ thống dẫn đường và định vị chính xác dựa trên các vệtinh VAVSTAR được bộ quốc phòng Mỹ thiết kế, triển khai từ năm 1973 và hiện đangđược sử dụng rộng rãi trên thế giới Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân

sự nhưng sau đó đã được thương mại hóa Ngày nay, công nghệ GPS chiếm vai trò chủđạo trong các ứng dụng dân sự và đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc xây dựnglưới tọa độ, đồng thời mở ra nhiều các lĩnh vực khác nhau vì nó đạt được nhiều tính ưuviệt hơn hẳn các phương pháp cũ như độ chính xác cao, thời gian đo nhanh, ít tốn kém vàhầu hết thực hiện được trong mọi điều kiện thời tiết Công nghệ GPS đã mang lại nhiềuhiệu quả khoa học như định vị được với độ chính xác tới milimet, khoảng cách đo đượclên tới hàng nghìn km, có thể định vị các đối tượng chuyển động tạo cơ sở khoa học mớicho xây dựng các hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, quan trắc dịch chuyển lục địa, quantrắc biến động vỏ trái đất, dự báo động đất…

Trong những năm gần đây công nghệ GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất trắcđịa – địa hình, đây là công nghệ đo đạc tiên tiến, rất thuận lợi trong công tác xây dựng cácmạng lưới khống chế trắc địa 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 nóichung và ở Việt Nam nói riêng

Với mục đích tìm hiểu rõ hơn về công nghệ này, cùng với ứng dụng của nó trong ngànhtrắc địa, đo vẽ bản đồ, em tiến hành nghiên cứu về đề tài “Hệ thống định vị toàn cầuGPS” Tuy nhiên về trình độ và thời gian có hạn, bài tiểu luận chắc chắn sẽ không tránhnhững sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến chỉnh sửa và định hướng phát triển tiếptheo

PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TOÀN CẦU GPS 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống

1.1.1 Phần không gian ( Space Segment)

Đoạn này gồm 24 vệ tinh phân bố đều trên 6 quỹ đạo gần tròn, trên mỗi quỹ đạo có 4 vệtinh, mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với mặt phẳng xích đạo một góc 550 Bán kính quỹ đạo

vệ tinh xấp xỉ 26560 km, tức vệ tinh có độ cao so với mặt đất cỡ 20200 km Chu kỳchuyển động của quỹ đạo là 718 phút Số lượng vệ tinh có thể quan sát được tùy thuộc

vào thời gian và vị trí quan trắc trên trái đất, nhưng có thể nói rằng ở bất kỳ thời gian và

vị trí nào trên mặt đất cũng có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh, tối đa là 11 vệ tinh

1.1.2 Đoạn điều khiển (Control segement)

Đoạn điều khiển gồm 4 trạm quan sát trên mặt đẩt tai Hawaii ( Thái Bình Dương ),Assension Island ( Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein ( tây TháiBình Dương) và một trạm điều khiển trung tâm đặt tại căn cứ không quân Mỹ gầnColorado Spring và trạm con Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh,gửi tới cho trạm chủ Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các

vệ tinh biết được vị trí của chúng trên quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu Nhờ vậy, các

vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểmnào

Đoạn điều khiển có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hoạt động của các vệ tinh trên cơ sở theodõi quỹ đạo chuyển động của vệ tinh và hoạt động của đồng hồ vệ tinh Tất cả các trạm điều khiển có máy thu GPS theo dõi liên tục các vệ tinh, đồng thời đo các số liệu khí tượng Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền về từ các trạm cùng với số liệu đo được của chính nó Kết quả xử lý cho ra ephemerit chính xác hóa của các vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệ tinh Các số liệu này được truyền từ trạm điều khiển trung tâm tới các trạm quan sát, từ đó truyền tiếp lên các vệ tinh cùng với các lệnh điều khiển khác Việc chính xác hóa thông tin được tiến hành 3 lần trong một ngày Ngoài ra, trạm trung tâm còn điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo, khởi động vệ tinh dự phòng khi cần thiết thay thế vệ tinh đã ngừng hoạt động

1.1.3 Đoạn sử dụng ( User Segment)

Đoạn này bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh để khai thác

sử dụng cho các mục đích và yêu cầu khác nhau Đó có thể là một máy thu riêng biệt,hoạt động độc lập (trường hợp định vị tuyệt đối) hay một nhóm từ hai máy thu trở lênhoạt động đồng thời theo một lịch trình nhất định (trường hợp định vị tương đối) hoặchoạt động theo chế độ một máy thu đóng vai trò máy chủ phát tín hiệu vô tuyến hiệuchỉnh cho các máy thu khác (định vị vi phân)

1.2 Các phương pháp đo trong GPS

1.2.1 Phương pháp đo tuyệt đối

Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định tọa độ của điểm quansát trong hệ thống tọa độ WGS-84 Đó có thể là các thành phần vuông góc không gian (X,

Y, Z) hoặc thành phần tọa độ mặt cầu (B, L, H) Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa

độ cơ sở của hệ thống GPS; tọa độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấytheo hệ thống tọa độ này.

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả

từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết

là các vệ tinh

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đếnmáy thu Ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu Khi đó 3khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gianđơn vị của máy thu Song trên thực tế cả đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh đều có sai

số, nên các khoảng cách được đo không phải là khoảng cách chính xác Kết quả là chúngkhông thể khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó làkhoảng cách từ một vệ tinh thứ tư

Bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu ta có thể xác định đượctọa độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số hiệu chỉnh cho đồng hồcủa máy thu nữa

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định tọa độ không giantuyệt đối của điểm quan sát Tuy vậy, nếu máy thu được trang bị đồng hồ chính xác caothì khi đó chỉ còn 3 ẩn số là 3 thành phần tọa độ của điểm quan sát Để quan sát chúng tachỉ cần quan sát đồng thời 3 vệ tinh

Hình 1 : Nguyên lý đo tuyệt đối

1.2.2 Đo vi phân

Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu vô tuyến đượcđặt tại điểm có tọa độ đã biết (nó thường được gọi là máy cố định), đồng thời có máykhác (được gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần tọa độ, đó có thể là điểm cố định hoặcđiểm di động như tàu thủy, máy bay, ôtô Cả máy cố định và máy di động cần tiến hànhđồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh như nhau Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kếtquả xác định tọa độ của cả máy cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch Độ sai lệch

này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được và tọa độ đãbiết trước của máy cố định và có thể xem là như nhau cho cả máy cố định và máy diđộng Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà hiệuchỉnh kết quả xác định tọa độ của mình.

Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định và chuyển nhanhvới tần suất cao Cũng với lý do này phạm vi hoạt động có hiệu quả của một máy thu cốđịnh không phải là tùy ý, mà hạn chế ở một bán kính từ một vài trăm đến năm bảy trămkilomet Người ta đã xây dựng các hệ thống GPS vi phân diện rộng cũng như mạng lướiGPS vi phân gồm một số hệ thống gồm một số trạm cố định để phục vụ nhu cầu định vịcho cả một lục địa hay đại dương với độ chính xác cỡ 10m Phương pháp định vị GPS viphân có thể đảm bảo độ chính xác phổ biến cỡ vài mét, và hơn thế nữa tới decimet

Hình 2 : Định vị GPS vi phân

1.2.3 Phương pháp đo tương đối

a Nguyên lý đo GPS tương đối

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt tại hai điểm quan sát khácnhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian ( ∆X, ∆Y, ∆Z ) hay hiệu tọa độ mặtcầu ( ∆B, ∆L, ∆H ) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS – 84

Nguyên lý đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha củasóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vịtrí tương hỗ) giữa hai điểm xét người ta đã tạo và sử dụng các sai phân khác nhau cho phatải nhằm làm giảm ảnh hưởng của các nguồn sai số khác nhau như : sai số đồng hồ vệ tinhcũng như trên máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số nguyên đa trị…

Số vệ tinh GPS xuất hiện trên bầu trời thường nhiều hơn 4, có khi lên tới 10 vệ tinh Bằngcách tổ hợp theo từng cặp vệ tinh ta sẽ có rất nhiều trị đo Không những thế khi đo tươngđối các vệ tinh lại được quan sát trong một khoảng thời gian tương đối dài, thường từ nửagiờ đến vài ba giờ Do vậy trên thực tế số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa haiđiểm quan sát sẽ là rất lớn và khi đó số liệu đo sẽ được xử lý theo nguyên tắc bình phươngnhỏ nhất.

Hình 3 : Nguyên lý định vị tương đối

b Đo tĩnh

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

hồ Số vệ tinh chung tối thiểu cho cả hai trạm quan sát là ba, nhưng thường được lấy là 4

để đề phòng trường hợp thu tín hiệu gián đoạn Khoảng thời gian quan sát phải kéo dài là

đủ cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi mà từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trịcủa sóng tải và đồng thời có nhiều trị đo nhằm đạt được độ chính xác cao và ổn định chokết quả quan sát

Đây là phương pháp cho phép đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị tươngđối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tớihàng chục và hàng tram kilomet Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là thời gian

đo kéo dài hàng giờ, do đó năng suất thấp

Thường được sử dụng để thành lập lưới khống chế trắc địa, quan trắc biến dạng côngtrình

Hình 4 : Đo GPS tĩnh

c Đo động

Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm

đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vòng một phút Theo phươngpháp này cần có ít nhất hai máy thu Để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cầnphải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ Sau khi đã xác định, sốnguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm

đo tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo khôngphải là một tiếng đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn là một phút.Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hànhthu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo Máy này được gọi là máy cố định Ởđiểm cuối cạnh đáy ta đặt máy thứ 2, cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cốđịnh trong vòng một phút Việc làm này gọi là khởi đo (initiazation ), còn máy thứ 2 nàyđược gọi là máy di động Tiếp đến cho máy di động lần lượt chuyển đến các điểm đo cầnxác định, tại mỗi điểm dừng lại để thu tín hiệu trong một phút, và cuối cùng quay trở vềđiểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để khép tuyến đo bằng thu tín hiệu thứ hai cũng kéodài trong một phút tại điểm này

Yêu cầu nhất thiết của phương pháp là cả máy cố định và máy di động phải đồng thời thutín hiệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh chung trong suốt chu kỳ đo Vì vậy tuyến đo phải bốtrí ở khu vực thoáng đãng tín hiệu thu không bị gián đoạn (cycle slip) Nếu xảy ra trườnghợp này thì phải tiến hành khởi đo lại tại cạnh đáy xuất phát hoặc sử dụng một cạnh đáykhác được thiết lập dự phòng trên tuyến đo Cạnh đáy có thể dài từ 2m đến 5km

Phương pháp đo động cho phép đạt độ chính xác định vị tương đối không thua kém so vớiphương pháp đo tĩnh Song nó lại đòi hỏi khá ngặt nghèo về thiết bị và tổ chức đo để đảmbảo yêu cầu về đồ hình phân bố cũng như tín hiệu của vệ tinh.

Hình 5 : Khởi đo bằng hoán đổi vị trí

Hình 6 : Đo GPS theo thời gian thực

Hình 7: Đo GPS dừng động và đi

d Đo giả động

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

kỳ đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu trong 5– 10 phút

Sau khi đo hết lượt máy di động quay về điểm xuất phát (điểm đo đầu tiên) và do lặp lạitất cả các điểm theo đúng trình tự đó nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời gian dãncách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ Chính trong khoảngthời gian này đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi đủ để xác định được số nguyên đa trị, cònhai lần đo, mỗi lần đo kéo dài 5 – 10 phút và giãn cách dài trong một tiếng Yêu cầu nhấtthiết trong phương pháp này là phải có ít nhất 3 vệ tinh chung cho cả hai lần đo tại mỗiđiểm quan sát

Điều đáng chú ý là máy di động không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trongsuốt chu kỳ đo mà chỉ cần thu trong vòng 5 – 10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắtmáy trong quá trình vận chuyển từ điểm nọ đến điểm kia

Điều này cho phép áp dụng phương pháp cả ở khu vực có nhiều vật che nhỏ với số lượngđiểm vừa phải để có thể kịp đo lặp tại mỗi điểm sau một tiếng đồng hồ và đảm bảo sốlượng vệ tinh chung cho cả hai lần đo

1.2.4 Ý nghĩa trong thực tiễn áp dụng

Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới đã áp dụng công nghệ GPS trong nhiều ngành,nhiều lĩnh vực Sau đây là một vài ứng dụng của các phương pháp đo GPS trong các lĩnhvực :

- Ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS cùng với hệ thống thông tin địa lí GIStrong việc theo dõi biến động, chỉnh lí thông tin và xây dựng cơ sở dữ liệu đất Lâmnghiệp dùng phương pháp đo GPS động nhằm thu thập số liệu về tọa độ vị trí các khu vựcquy hoạch, khu đất biến động về mục đích, ranh giới… phục vụ cho nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp đo động hoặc đo tĩnh để xác định độ cao

- Sử dụng phương pháp đo tĩnh để thành lập các lưới trắc địa, phương pháp cho ra

độ chính xác GPS hiện nay rất cao

- Sử dụng lỹ thuật GPS đo động xử lý sau trong đo đạc địa chính

- Các ứng dụng trên tàu thuyền về dẫn đường trên mặt nước yêu cầu độ chính xácthấp thường sử dụng phương pháp định vị tuyệt đối Các ứng dụng về khảo sát thủy vănyêu cầu độ chính xác trung bình thường dùng phương pháp đo pha tương đối theo thờigian thực

- Sử dụng hệ thống LADS (The Laser Ảiborne Depth Sounder) kết hợp với máy thuGPS định vị động gắn trên máy bay để thành lập bản đồ hải dương học

1.3 Các nguồn gây sai số