Câu 1: Bài toán xác định hệ quy chiếu và định vị Elipsoid phù hợp với lãnh thổ Việ Nam: 1. Lựa chọn lƣới chiếu tọa độ phẳng phù hợp cho việt nam Lưới chiếu tọa độ phẳng là 1 phép biến đổi toán học để chuyển các yếu tố hình học trên mặt ellipsoid về mặt phẳng Lưới chiếu tọa độ phẳng cơ bản của nước ta cơ bản là một thành phần của hệ quy chiếu quốc gia được sử dụng vào mục đích chuyển hệ thống tọa độ và hệ thống bản đồ cơ bản về mặt phẳng Nước ta là một nước có dạng chạy dài theo kinh tuyến nên việc lựa chọn múi chiếu trụ ngang đồng góc làm lưới chiếu tọa độ phẳng cơ bản là phù hợp Trong số các lưới chiếu này chỉ có 2 loại được sử dụng phổ biến là lưới chiếu UTM và GaussKruger Việc lựa chọn hệ quy chiếu hợp lý cho việt nam đã thống nhất về mặt nguyên tắc là: “ Hệ quy chiếu cho Việt Nam cần phải là một hệ phù hợp nhất với lãnh thổ và đảm bảo công cụ để chuyển chính xác sang hệ quốc tế khi có nhu cầu, phải phù hợp với tập quán sử dụng ở Việt Nam và tương đồng với các chuẩn mực quốc tế, phải đảm bảo tính bảo mật quốc gia và có khả năng hòa nhập với quốc tế khi cần thiết.” Kết luận lựa chọn cụ thể là: Elipsoid quy chiếu – WGS84 Gía trị tọa độ điểm gốc: xác định theo kết quả định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam Hệ thống tọa độ phẳng: Lưới chiếu nón đứng đồng góc 2 vĩ tuyến chuẩn cho bản đồ 1100.000, lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 60 và k0 = 0,9996 cho bản đồ các tỷ lệ từ 110.000 tới 150.000 Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 30 và k0 = 0,9999 cho các bản đồ tỷ lệ từ 12.000 tới 15.000, chia mảnh bản đồ và danh pháp bản đồ như hệ thống hiện hành có chú thích thêm danh pháp theo hệ quốc tế.
ĐỀ CƢƠNG GPS Câu 1: Bài toán xác định hệ quy chiếu định vị Elipsoid phù hợp với lãnh thổ Việ Nam: Lựa chọn lƣới chiếu tọa độ phẳng phù hợp cho việt nam Lưới chiếu tọa độ phẳng phép biến đổi toán học để chuyển yếu tố hình học mặt ellipsoid mặt phẳng Lưới chiếu tọa độ phẳng nước ta thành phần hệ quy chiếu quốc gia sử dụng vào mục đích chuyển hệ thống tọa độ hệ thống đồ mặt phẳng Nước ta nước có dạng chạy dài theo kinh tuyến nên việc lựa chọn múi chiếu trụ ngang đồng góc làm lưới chiếu tọa độ phẳng phù hợp Trong số lưới chiếu có loại sử dụng phổ biến lưới chiếu UTM Gauss-Kruger Việc lựa chọn hệ quy chiếu hợp lý cho việt nam thống mặt nguyên tắc là: “ Hệ quy chiếu cho Việt Nam cần phải hệ phù hợp với lãnh thổ đảm bảo công cụ để chuyển xác sang hệ quốc tế có nhu cầu, phải phù hợp với tập quán sử dụng Việt Nam tương đồng với chuẩn mực quốc tế, phải đảm bảo tính bảo mật quốc gia có khả hòa nhập với quốc tế cần thiết.” Kết luận lựa chọn cụ thể là: - Elipsoid quy chiếu – WGS84 - Gía trị tọa độ điểm gốc: xác định theo kết định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam - Hệ thống tọa độ phẳng: Lưới chiếu nón đứng đồng góc vĩ tuyến chuẩn cho đồ 1/100.000, lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 60 k0 = 0,9996 cho đồ tỷ lệ từ 1/10.000 tới 1/50.000 - Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi chiếu 30 k0 = 0,9999 cho đồ tỷ lệ từ 1/2.000 tới 1/5.000, chia mảnh đồ danh pháp đồ hệ thống hành có thích thêm danh pháp theo hệ quốc tế Hệ tọa độ quốc gia Việt Nam VN-2000 Hệ tọa độ VN 2000 thủ tướng phủ định hệ tọa độ trắc địa-bản đồ quốc gia VN có hiệu lực từ ngày 12/8/2000 Hệ tọa độ có đặc điểm: - Sử dụng Elípsoid WGS-84 làm elip thực dụng, elip có bán trục lớn a=6378137, độ dẹt α = 1:298,2 - Sử dụng phép chiếu hệ tọa độ vng góc phẳng UTM - Gốc tọa độ công viên Công nghệ địa chính, Hồng Quốc Việt, Hà Nội Dùng tâm trái đất làm tâm chiếu, chiếu múi lên mặt trụ theo nguyên lý phép chiếu xuyên tâm Sau chiếu, khai triển mặt trụ thành mặt phẳng Phép chiếu UTM có ưu điểm độ biến dạng phân bố có trị số nhỏ; mặt khác để thuận tiện cho việc sử dụng hệ tọa độ chung khu vực giới Việt Nam sử dụng lưới chiếu hệ tọa độ quốc gia VN2000 thay cho phép chiếu Gauss-Kruger hệ tọa độ cũ HN-72 Định vị ellipsoid quy chiếu phù hợp việt nam Định vị ellipsoid quy chiếu việc xác định vị trí ellipsoid phù hợ theo nghĩa với bề mặt Geoid địa phương để quy chiếu trị đo tọa độ Tính phù hợp thường hiểu theo nghĩa độ lệc ellipsoid quy chiếu Geoid địa phương nhỏ thường có dạng: ∑( ) Từ kết định vị Elipsoid quy chiếu WGS 84 Việt Nam rút kết luận: - Sử dụng 25 điểm sở định vị (tại điểm có tọa độ khơng gian X, Y, Z xác đinh theo GPS có độ cao thủy chuẩn) phân bố lãnh thổ đảm bảo độ xác càn thiết để xác định ellipsoid quy chiếu - Phân tích kết đinh vị Elipsoid quy chiếu WGS 84 khẳng định Elipsoid có kích thước phù hợp với lãnh thổ Việt Nam, độ cao cực đại Geoid 3,310 m, trung bình 1,614 m - Hệ quy chiếu định vị mang tên Hệ Quy Chiếu VN-2000 Câu Các để lựa chọn lƣới chiếu tọa độ phẳng phù hợp với lãnh thổ VN Để xác định hệ quy chiếu hợp lý cho việt nam cần thống số nguyên tắc để lựa chọn sau: - Đảm bảo tính phù hợp với lãnh thổ nước ta - Đảm bảo độ xác cao khả - Đáp úng cho nhiều mục tiêu dân quân khác ( đồ, dẫn đường, nghiên cứu trái đất…) - Đảm bảo phù hợp chuyển đổi với hệ quy chiếu quốc tế khu vực - Đảm bảo tính bảo mậtcủa số liệu tọa độ nhà nước - Đảm bảo tính thuận tiện cho chỉnh lý loại tư liệu đo đạc đồ có theo hệ quy chiếu lựa chọn Câu 3: Các phƣơng pháp quan sát vệ tinh nhân tạo: Các phương pháp quan sát vệ tinh nhân tạo chia làm nhóm: nhóm quang học nhóm vơ tuyến điện tử Nhóm quang học: bao gồm phương pháo quan sát trực tiếp, chụp ảnh quan sát điện tử laser Pp quan sát trực tiếp cho độ xác thấp, khơng sử dụng công tác trắc địa Trước pp chụp ảnh sử dụng rộng rãi để quan sát vệ tinh nhân tạo Thực chất pp chụp ảnh vệ tinh trời sao, từ vị trí tính vị trí vệ tinh Nhóm vơ tuyến điện tử: bao gồm phương pháp giao thoa, pp đokhoảng cách… Đo hƣớng đến VTNT chụp ảnh trời Pp sử dụng camera để chụp ảnh như: Wild BC-4,… Các camera có tiêu cự từ 250 – 964 mm, góc mở ống kính lớn, dung phim có độ nhạy cao để chụp ảnh vệ tinh Trong vệt bay VTNT chụp nhiều ảnh mà ảnh vị trí vệ tinh nằm vùng trung tâm ảnh Ngoài camera gắn cửa chớp có cấu tạo đặc biệt ghi thời gian chụp ảnh với đ.c.x 10-3s Dựa vào lịch thời gian chụp ảnh ta có tọa độ chọn sở Trên sở tọa độ phim ảnh, từ quan hệ tọa độ sở tọa độ vệ tinh người ta tính tọa độ thiên văn VTNT Từ xác định hướng từ điểm quan sát đến VTNT Pp cho độ xác hướng từ điểm quan sá đến VT đạt từ 0,4-0,5s Đo khoảng cách điện tử đến VTNT Pp này: tín hiệu trạm phát điều biến theo pha Tín hiệu nhận từ vệ tinh dạng xung truyền thẳng, thực chất chuyển tiếp tín hiệu pha điều biến với tầm số k thay đổi.Trạm mặt đất thu tín hiệu, dịch chuyển pha đo máy đo pha, nhờ tính khoảng cách Để tăng trị đo trạm mặt đất phát sóng điện từ vệ tinh thu tạo sóng điều biến phát trở lại trạm mặt đất nhờ thiết bị thu phản hồi đặt vệ tinh, lần đo khoảng cách nhờ độ cx định vị tăng lên đáng kể Câu 4: Các toán nguyên tắc định vị vệ tinh Trắc địa ảnh VT môn khoa học nghiên cứu việc ứng dụng kết quan sát vệ tinh nhân tạo VT tự nhiên trái đất để giải nhiệm vụ khác trắc địa Để giải nhiệm vụ xác định vị trí điểm bề mặt trái đất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta đưa nguyên tắc nguyên tắc hình học nguyên tắc động học Thời điểm ban đầu người ta đưa lên quỹ đạo số vệ tinh nhân tạo đóng vai trò mục tiêu di động phát sáng chiếu sáng, nhờ trạm quan sát mặt đất ghi nhận đượcvị trí chụp vệ tinh Bằng cách người ta xác định vị trí điểm quan sát mặt đất mà khơng cần biết xác vị trí vệ tinh, Các vệ tinh gọi vệ tinh thụ động toán giải theo nguyên tắc hình học nên gọi tốn hình học Thời gian sau nhờ phát triển kỹ thuật điện tử, vệ tinh trang bị nguồn phát tín hiệu vơ tuyến, gương phản chiếu laser, đồng hồ xác… Trong trình chuyển động quỹ đạo người ta xác định vị trí xác vệ tinh (trong hệ tọa độ) từ xác định vị trí trạm thu tín hiệu từ vệ tinh Các vệ tinh gọi vệ tinh chủ động toán định vị trường hợp giải theo nguyên tắc động học gọi toán động học Các vệ tinh hệ thống TRANSIT, GPS, GLONASS, GALILEO thuộc nhóm vệ tinh chủ động Các vệ tinh chuyển động quỹ đạo chịu tác động trọng trường trái đất, lực tác dụng thiên thể khác mặt trăng , mặt trời…việc xác định tọa độ tuyệt đối vệ tinh quỹ đạo theo thời gian hệ tọa độ trái đất phức tạp Để trì hoạt độngcủa hệ thống địh vị vệ tinh theo nguyên tắc động học, mạng lưới trạm quan trắc đoạn điều khiển phải liên tục quan trắc đến vệ tinh sở để xác định tham số trường trọng lực trái đất Từ cung cấp cho người sử dụng tham số quỹ đạo chuyển động VTNT mơi trường có nhiều nhiễu để thực cơng tác định vị điểm mặt đất không gian Bản chất định vị vệ tinh theo nguyên tắc động học, tọa độ vệ tinh xác định quỹ đạo (tại thời điểm đó) số liệu gốc từ xác định vị trí điểm quan sát bề mặt trái đất thông qua trị đo đến ảnh vệ tinh Trong định vị VTNT có pp định vị là: + pp định vị tuyệt đối xác định vị trí tuyệt đối điểm quan sát hệ tọa độ + pp định vị tương đối xác định hiệu tọa độ (vị trí tương đối) hay nhiều điểm quan sát hệ tọa độ Câu hệ tọa độ đƣợc sử dụng đo GPS Vị trí điểm mặt đất, không gian biểu thị giá trị tọa độ hệ tọa độ Các hệ tọa độ khác cho tham số tọa độ khác gốc tọa độ, trục tọa độ Hệ tọa độ vng góc khơng gian (X,Y,Z) - Gốc tọa độ trọng tâm trái đất - Trục Z trùng với trục quay đất - Trục X hướng từ tâm trái đất đến điểm giao mặt phẳng xích đạo kinh tuyến gốc - Trục Y vng góc với trục X Z Hệ tọa độ trắc địa (B,L,H) Hệ tọa độ địa lý (φ,λ,H) Hệ tọa độ trái đất thực dụng Hệ tọa độ trái đất trình bày có gốc tọa độ trùng với trọng tâm trái đất điều đôi với Elipsoid chung trái đất Trong thực tế quốc gia, người ta sử dụng hệ quy chiếu riêng gọi hệ quy chiếu thực dụng Để thiết lập hệ tọa độ thực dụng người ta định vị Elipsoid ( có hình dạng kích thước biết) phù hợp với lãnh thổ quốc gia Như hệ tọa độ thực dụng dựa Elipsoid có tâm khơng trùng với trọng tâm trái đất chí trục tọa độ ellipsoid khơng hồn tồn song song với trục tọa độ Elipsoid chung trái đất Từ thực tế nảy sinh toán chuyển đổi tọa độ hệ tọa độ tría đất chung hệ tọa độ trái đất địa phương hệ tọa độ trái đất địa phương với Để tính chuyển tọa độ hệ tọa độ ta cần biết tham số tính chuyển tham số hình dạng kích thước Elipsoid, tham số chuyển tọa độ không gian bao gồm giá trị lệch gốc tọa độ, góc xoay trục tọa độ hệ số tỷ lệ dài m Câu Cấu trúc hệ thống định vị toàn cầu GPS hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo phân bố không gian người ta chia hệ thồng GPS thành phần gọi đoạn: - Đoạn không gian - Đoạn điều khiển - Đoạn người sử dụng Đoạn không gian Bao gồm vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay quỹ đạo xác định quanh trái đất Vệ tinh bay mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, độ cao 12.600 dặm với chu kì 718 phút Theo thiết kế hệ thong GPS gồm 24 vệ tinh, quỹ đạo có tinh Các vệ tinh GPS có trọng lương khoảng 1600kg trước phóng khoảng 800kg quỹ đạo Tuổi thọ vệ tinh theo thiết kế khoảng 7,5 đến 10 năm Năng lương cung cấp cho hoạt động cá thiết bị vệ tinh lượng pin mặt trời Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển trạm mặt đất phân bố quanh trái đất có trạm chủ trạm theo dõi Đoạn điều khiển có nhiệm vụ theo dõi tín hiệu vệ tinh gửi điều chỉnh cần thiết (lịch vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ ) Số liệu GPS thu thập trạm theo dõi truyền cho trạm chủ Tọa độ vệ tinh độ lệch đồng hồ vệ tinh theo GPS tính tốn hiệu chỉnh trạm chủ Các trị số lại truyền nạp lên vệ tinh hang ngày qua trạm điều khiển mặt đất Sau số liệu GPS thu thập, xử lý, tọa độ vàđộ lệch đồng hồ vệ tinh tính tốn hiệu chỉnh trạm chủ truyền tới vệ tinh hang ngày qua trạm theo dõi Đoạn ngƣời sd Bao gồm máy thu tín hiệu vệ tinh phần mềm xửa lý tính tốn số liệu Máy thu tín hiệu GPS đặt cố định mặt đất hay gắn phương tiện chuyển động bộ, xe đạp, tơ… Tín hiệu vệ tinh thu qua anten máy thu Cấu tạo anten đẳng hướng máy thu GPS bắt tín hiệu GPS phân cực tròn hướng Tâm pha anten điểm thu tín hiệu xác định tọa độ Tâm pha anten máy thu không thiết phải trùng Tùy theo mục đích ứng dụng mà máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác với phần mềm xử lý quỳ trình thao tác thu thập xử lý số liệu thực địa Câu Cấu trúc tín hiệu GPS Bộ tạo giao động vệ tinh liên tục tạo tần số chuẩn fo = 10.32 MHz với độ ổn định 10-12 Tín hiệu vệ tinh GPS mã hóa có loại mã: mã C/A Code P-Code Việc sử dụng tín hiệu mã hóa cho phép vệ tinh GPS hoạt động tần số mà không bị nhiễu, vệ tinh phát mã giả ngẫu nhiên Máy thu GPS nhận dạng đọc tín hiệu GPS khơng đòi hỏi cơng suất lớn máy thu GPS sử dụng awnten nhỏ hơn, kinh tế C/A Code Là mã giả ngẫu nhiên phát với tần số 1.023 MHz Mã lặp lại với tần suất mili giây Phương trình giải mã C/A khơng bảo mật mã C/A thông dụng nhiều máy thu dân để dẫn đường lập đồ P.Code Là mã giả ngẫu nhiên thứ 2, phát tín hiệu với tần số fo = 10.23MHz Tín hiệu lặp lại với tần suất 266,4 ngày chia làm 38 đoạn ngày, có đoạn giành riêng cho mục đích vận hành Mỗi đoạn ngày lại gán mã phân biệt cho vệ tinh Được sd ứng dụng dân trường hợp giải mã không bảo mật Y.Code Là dạng bảo P-code Việc giải mã Y.code thuộc người dùng có thẩm quyền bên qn đội kích hoạt Y.Code người dùng khơng thuộc qn đội khơng có khả sd P-Code lẫn Y.code Phase song mang băng tần L Tín hiệu vệ tinh GPS biến sóng mang L chứa thông tin quý giá thời gian vị trí vệ tinh Mỗi vệ tinh có mã riêng phát tần số mang Thông báo vệ tinh Thông báo dẫn đường vệ tinh phát tần số thấp 50Hz, thông báo chứa dữa liệu trạng thái vệ tinh vị trí chúng Thơng báo vệ tinh sử dụng chương trình lập kế hoạch tính tốn xử lý kết đo Câu Nguyên lý định vị điểm đơn đo GPS Đo khoảng cách từ điểm đo đến vệ tinh sau dung tọa độ vệ tinh phép giao hội cạnh hình học xác định tọa độ điểm cần đo Máy thu GPS thông thường dung để định vị điểm đơn loại máy cầm tay Các máy thu xử lý trị đo cho kết thực địa ứng dụng máy cầm tay chủ yếu dẫn đường cá nhân thu thập số liệu đồ, GIS độ xác thấp Đây tốn giao hội nghịch không gian biết tọa độ vệ tinh khoảng cách tương ứng đến máy thu Về mặt hình học mơ tả định vị thời điểm sau: - Nếu có vệ tinh điểm cần đo nằm mặt cầu thứ có tâm vị trí vệ tinh, có bán kính khoảng cách đo từ vệ tinh đến máy thu - Nếu có vệ tinh điểm đo nằm mặt cầu thứ có tâm vệ tinh thứ 2, có bán kính khoảng cách từ vệ tinh thứ tới máy thu Kết hợp trị đo đến vệ tinh vị trí điểm đo nằm giao mặt cầu khơng gian- đường tròn - Khi có vệ tinh thứ trên, vị trí điểm đo giao mặt cầu thứ đường tròn nêu trên-kết cho ta nghiệm số vị trí khơng gian - Nếu có vệ tinh thứ kết tổng hợp cho nghiệm vị trí điểm đo kgian Như vậy, cần thu tín hiệu vệ tinh để xác định tọa độ điểm đo không gian chiều Khi số vệ tinh thu tín hiệu >4 số lần thu tín hiệu lớn vị trí điểm đo giải theo pp số bình phương nhỏ Nguyên lý định vị điểm đơn cho độ cx thấp sd tốt dẫn đường, cho kết định vị tức thời với độ cx phù hợp với công tác đạo hang Câu 9.Nguyên lý định vị tƣơng đối đo GPS Do ảnh hưởng sai số vị trí vệ tinh quỹ đạo, sai số đồng hồ yếu tố môi trường truyền song khác dẫn đến độ xác định vị điểm đơn đạt từ 100m đến 30m hệ tọa độ WGS-84 Ngay phủ Mỹ loại bỏ nhiễu SA việc định vị tuyệt đối xác đạt tới số vài chục mét Với độ cx khơng thể áp dụng cho cơng tác trắc địa Một phương án định vị khác cho phép sử dụng hệ thống GPS đo đạc trắc địa có độ cx cao định vị tương đối Định vị tương đối áp dụng với trị đo Phase Khi hay nhiều máy thu quan sát đồng thời vệ tinh hầu hết sai số SA sinh chiết suất khí bị loại trừ, gia số tọa độ xác định xác Pp cho vector cạnh khơng gian chiều tâm anten máy thu Có hiệu cạnh ngắn sai số ảnh hưởng khí coi đồng máy thu Sẽ cx đo cạnh dài nguyên lý ảnh hưởng đồng khí khơng phù hợp Trị đo GPS tương máy tần số cho độ cx tốt cạnh dài (>30Km) không hồn tồn loại lỗi khí Điều quan trọng nên chọn cạnh ngắn (