Ứng dụng công nghệ GPS và toàn đạc điện tử để xây dựng lưới khống chế phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại huyện yên lập, tỉnh phú thọ

NGUYỄN QUỐC

THỊNH

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ĐỂ XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ

PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA

CHÍNHTẠI HUYỆN YÊN

LẬP, TỈNH PHÚ

THỌ

Ngành:Q

uảnlýđấtđaiM

ãsốngành:60.85.01.03LUẬN VĂN THẠC

SĨ QUẢN LÝ ĐẤT

ĐAINgười

hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Thơ

Thái Nguyên, năm 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các số liệu trongluận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ luận văn nàokhác

Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõnguồn gốc./

Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân, tôi xinchân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, Lãnh đạo Ban chủnhiệm Khoa đào tạo Sau Đại học, Khoa Quản lý tài nguyên đã tận tình truyền đạt những kiếnthức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiệnluận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Lê Văn Thơ người hướng dẫn khoa

học tận tình, chu đáo và đã giúp đỡ rất nhiều để tôi có thể hoàn thành luận văn này.Tôi xin chân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng chí lãnh đạo Sở TNMT PhúThọ, Phòng TNMT huyện Yên Lập đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian điều tra sốliệu và những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn của tôi

Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong thờigian học và thực hiện đề tài

Xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Quốc Thịnh

MỤC LỤC

LỜI

CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1.Đặt vất đ ề 1

2.Mục tiêu của đề tài 2

2.1.Mục tiêu tổng quát 2

2.2.Mục tiêu cụ thể 2

3.Yêu cầu của đề tài 2

Chương 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SƠ KHOA HỌC 3

1.1.Công tác thành lập bản đồ địa chính 3

1.1.1.Hệ thống lưới khống chế 3

1.1.2 Những đặc điểm địa hình của vùng trung du phía bắc cần lưu ý khi xây dựnglưới khống chế trắc địa 5

1.3.1.Phương pháp đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế địa chính 21

1.3.2.Các dạng lưới ứng dụng đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống

chế địa chính 22

1.4.Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu 24

1.4

.1 Các hệ thống định vị vệ tinh khác 24

1

4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới ở Việt

Nam 25

1.5.Vấn đề đặt ra trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới

khống chế địa chính tại huyện Yên Lập 26

Chư

ơng 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1.Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 28

2.1.1 tượngĐối nghiên cứu 28

2.1.2.Phạm vi Nghiên cứu 28

2.1.3 điểmĐịa và thời gian nghiên cứu 28

2.2.Nội dung nghiên cứu 28

2.3.Phương pháp nghiên cứu 28

2.3.1.Phương pháp thu thập số liệu 28

2.3.2.Phương pháp thành lập lưới 29

2.3

.2 Phương pháp xử lý và phân tích số liệu 29

2

3.4 Phương pháp kết hợp đo Công nghệ GPS và Toàn đạc điện tử trong thành lập

lưới đo vẽ bản đồ địa chính 29

Chư

ơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31

3.1.Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội 31

3.1

.1 Điều kiện tự nhiên 31

3.1.2.Điều kiện kinh tế - xã hội 33

3.1.3.Hiện trạng sử dụng đất huyện Yên Lập năm 2014 34

3.2.Công tác quản lý đất đai, đo đạc bản đồ địa chính tại khu vực huyện Yên Lập 36

3.2.1.Công tác đo đạc lập bản đồ đăng ký đất đai, lập hồ sơ địa chính, cấp giấy

3.2.2.Hiện trạng về thông tin tư liệu điểm tọa độ, độ cao có trong khu vực huyện

Yên Lập 37

3.3.Thiết kế lưới địa chính huyện Yên Lập 40

3.3

.1 Công tác khảo sát thiết kế lưới 40

3.3

.3 Một số tham số cơ bản Lưới địa chính huyện Yên Lập 42

3.3

.4 Công tác đo lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 43

3.3.5 quảKết Bình sai lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 44

3.3.6.Đánh giá độ chính xác lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 50

3.4.Sử dụng công nghệ GPS đo lưới khống chế đo vẽ 51

3.4.1.Sử dụng công nghệ GPS đo lưới khống chế đo vẽ thay thế phương phápđường chuyền phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập Tỉnh Phú Thọ

51

3.3.5 Phân tích kết quả đo GPS lưới kinh vĩ thành lập bằng công nghệ GPS 54

3.4.2 Nghiên cứu ứng dụng phương án ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với phươngpháp lưới đường chuyền phục vụ thành lập lưới đo vẽ bản đồ địa chính 54 3.5

Đánh giá kết quả kiến nghị giải pháp 59

3.5.1.Đánh giá kết quả và kiến nghị các giải pháp kỹ thuật 59

3.5.2.Kiến nghị các giải pháp kỹ thuật và tổ chức từ kết quả đo GPS lưới địa chính,

lưới khống chế đo vẽ thành lập bằng công nghệ GPS 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO

63

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 : Hiện trạng sử dụng đất năm 2014 35

Bảng 3.2 Số hộ, diện tích đã cấp giấy CNQSD đất 36

Bảng 3.3 Số hộ và diện tích chưa cấp giấy CNQSD đất 36

Bảng 3.4: Các điểm toạ độ đã có trong khu đo đến năm 2013 37

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 8

Hình 1.2 : Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS [10] 9

Hình 1.3: Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển [10] 10

Hình 1.4: Đồ hình phân bố vệ tinh với các chỉ số DOP [10] 17

Hình 1.5 Sơ đồ đó với hai máy tối thiểu giữa hai điểm gốc 22

Hình 1.6 Sơ đồ đó với ba máy giữa hai điểm gốc 22

Hình 1.7.Sơ đồ đó với bốn máy đo giữa hai điểm gốc 23

Hình 18 Sơ đồ chêm điểm giữa hai và ba điểm gốc 23

Hình 3.1 Vị trí huyện Yên lập [12] 31

Hình 3.2 Sơ đồ lưới địa chính huyện Yên Lập 42

Hình 3 3 Sơ đồ Lưới kinh vĩ Xã Hưng Long Huyện Yên Lập 52 Hình 3.4 Lưới khống chế đo vẽ thành lập bằng phương pháp đường

chuyền toàn đạc dựa trên hệ thống các điểm Lưới Kinh vĩ bằng phươngpháp GPS 55

MỞ ĐẦU1.Đặt vất đề

Yêu cầu đặt ra đối với hệ thống quản lý đất đai là sử dụng tài nguyên đất một cáchhợp lý, sử dụng hiệu quả và đất đai được bảo vệ, nhằm đảm bảo thực hiện tốt các mụctiêu phát triển kinh tế và công bằng xã hội Một hệ thống quản lý đất đai hiện đại sẽ đảmbảo quyền lợi hợp lý của Nhà nước, nhà đầu tư và người sử dụng đất cũng như mọi thànhphần có liên quan Hệ thống hồ sơ địa chính gồm bản đồ địa chính và hệ thống sổ sách đikèm phải được thiết lập rõ ràng cho từng thửa đất

Trong giai đoạn thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay ở nước ta, việcthiết lập, quản lý hệ thống hồ sơ địa chính số là một yêu cầu tất yếu Hệ thống hồ sơ địachính được thiết lập phải là một hệ thống hồ sơ hiện đại áp dụng được những công nghệtin học tiên tiến, đây là một yêu cầu đòi hỏi bức thiết, nhưng cũng thật sự khó khăn bởicùng lúc phải đầu tư một cách đồng bộ từ trình độ nghiệp vụ của những người tácnghiệp, quản lý, hệ thống thiết bị phần cứng, phần mềm, hệ thống dữ liệu… Bản đồ địa

chính phục vụ trước hết cho nhu cầu quản lý nhà nước về đất đainhư: Phục vụ kê khai đăng ký cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất, thống kê đất đai,lập kế hoạch sử dụng đất, giao đất giao rừng, giải quyết tranh chấp đất đai… có thể nóinhu cầu về thành lập bản đồ địa chính bằng các công nghệ hiện đại đã và đang được đặtra rất cấp thiết Trong quá trình thành lập bản đồ địa chính tại Phú Thọ đã trải qua nhiềugiai đoạn khác nhau, hệ thống lưới khống chế từ lưới địa chính đến lưới đo vẽ đượcthành lập với khá nhiều giải pháp Giai đoạn đầu, lưới địa chính được phân cấp thành lướiđịa chính cơ sở và lưới địa chính cấp I và cấp II Lưới địa chính cơ sở và địa chính cấp Iđược thành lập bằng phương pháp định vị GPS, lưới địa chính cấp II về cơ bản đượcthành lập bằng lưới đường chuyền Giai đoạn gần đây lưới địa chính cấp I và cấp II đượcxây dựng đồng thời không phân cấp Đối với hệ thống lưới đo vẽ hầu như sử dụngphương pháp đường chuyền, gần đây có một số đơn vị sử dụng phương pháp định vịGPS Như vậy nhu cầu đặt ra đối với Phú Thọ là cần đánh giá một cách có hệ thống về khảnăng sử dụng phương pháp định vị GPS trong khu

vực trung du miền núi phía Bắc, đặc biệt với khả năng ứng dụng phương pháp đo tĩnh ởcác khu vực có dị thường độ cao biến động Với những lý do này qua khoá học thạc sỹ,được sự phân công của khoa sau đại học - trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên và

được sự giúp đỡ của Tiến sỹ Lê Văn Thơ Tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ

GPS và toàn đạc điện tử để xây dựng lưới khống chế phục vụ thành lập bản đồ địachính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ”.

2.Mục tiêu của đề tài2.1.Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa chínhtrên cơ sở ứng dụng công nghệ GPS tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ phục vụ công tácquản lý nhà nước về đất đai

2.2.Mục tiêu cụ thể

-Đánh giá thực trạng thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ;

- Xác định những tồn tại trong công tác thành lập bản đồ địa chính tại huyện YênLập, tỉnh Phú Thọ;

-Ứng dụng công nghệ GPS nhằm nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địachính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ

3.Yêu cầu của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài phản ánh đúng lưới đo địa chính bằng công nghệ GPStại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ

Các đề xuất, giải pháp và biện pháp phải đưa ra cần khách quan và phù hợp với kếtquả nghiên cứu

Chương 1TỔNG QUAN VÀ CƠ SƠ KHOA HỌC1.1.Công tác thành lập bản đồ địa chính

1.1.1.Hệ thống lưới khống chế

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 thànhlập ở múi chiếu 3o trên mặt phẳng chiếu hình, trong hệ tọa độ Quốc gia VN- 2000 và độcao Nhà nước hiện hành Kinh tuyến gốc (00) được quy ước là kinh tuyến đi quaGRINUYT Giá trị kinh tuyến trục phụ thuộc vào từng địa phương được quy định riêng,như tỉnh Quảng Ninh được quy định 107045’ Điểm gốc của hệ toạ độ mặt phẳng (điểmcắt giữa kinh tuyến trục của từng tỉnh và xích đạo) có X =0 km, Y=500 km Điểm gốc củahệ độ cao là điểm độ cao gốc ở Hòn Dấu - Hải Phòng [4]

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 tọa 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 tọa độ địa chính là số điểm lưới khống chế được xây dựngtrên một đơn vị diện tích để phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính theo một tỷ lệ xác định Ta cóthể dễ dàng dự tính được số điểm khống chế khi biết những yếu tố sau:

-Phương pháp đo vẽ bản đồ địa chính

-Tỷ 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 đovẽ trực tiếp và phương pháp đo ảnh hàng không Phương pháp toàn đạc là phương phápcơ bản, không thể thay thế trong điều kiện đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn khu

vực dân cư đông đúc, thửa đất nhỏ, bị che khuất nhiều Bản chất của phương pháp xácđịnh toạ độ những điểm chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử Phương pháp này đòi hỏi sốlượng điểm khống chế dải đều và dày đặc Tỷ lệ bản đồ càng lớn, vùng đo vẽ càng chekhuất 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 có mộtđiểm từ địa chính trở lên

Để đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500 – 1:2000, trên diện tích từ 1 đến 1,5 km2 có mộtđiểm từ địa chính trở lên

Để đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, bản đồ địa chính ở khu công nghiệp, khu cócấu trúc xây dựng dạng đô thị, khu đất có giá trị kinh tế cao, khu đất ở đô thị có diện tíchcác thửa nhỏ, đan xen nhau, trên diện tích trung bình 0,3 km2 (30 ha) có một điểm từ địachính trở lên

Quy định trên áp dụng cho cả trường hợp có trích đo khu dân cư hoặc trích đo cácthửa, 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 đếntrên 5 ha, mật độ từ điểm địa chính trở lên tối thiểu để phục vụ đo vẽ là 2 điểm [2]

2.Sơ đồ phát triển lưới địa chính

Chúng ta biết rằng lưới toạ độ nhà nước hiện nay đã được thống nhất xâydựng trên toàn quốc, lưới toạ độ hạng III và IV nhà nước đã được xây dựng đảm bảomật độ cũng như độ chính xác phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính ở nhữngkhu vực nông thôn, đất nông nghiệp, lâm nghiệp… Tuy nhiên, tại những khu vựcthành phố và thị xã mạng lưới này không đáp ứng được nhu cầu do bị mất mát và hưhỏng nhiều

Phương pháp cơ bản để xây dựng lưới hiện nay là chêm dày từ các cấp lưới hạngcao nhà nước như hạng I và hạng II, tạo nên mạng lưới địa chính cơ sở đạt độ chính xáctiêu chuẩn hạng III và mật độ đạt tương đương hạng IV nhà nước Để tăng dày mật độđiểm khống chế tọa độ ta chêm dày thêm vào lưới địa chính cơ sở lưới toạ độ địa chínhcấp 1, 2 và tiếp sau đó chêm dày các cấp lưới thấp hơn [2].

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

Lưới toạ độ địa chính được thành lập nhằm mục đích phục vụ đo vẽ bản đồ địachính, tính thống nhất về độ chính xác là yếu tố cơ bản quan trọng nhằm đảm bảo chobản 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 côngnghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, tứ giác để làm cơsở phát triển lưới khống chế đo vẽ

1.1.2 Những đặc điểm địa hình của vùng trung du phía bắc cần lưu ý khi xây dựng lưới khống chế trắc địa

Phú Thọ là tỉnh miền núi nằm ở phía Bắc đồng bằng Bắc Bộ, là cửa ngõ giao lưugiữa các tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ với các tỉnh phía Tây Bắc Khu vực nghiên cứu làhuyện Yên Lập thuộc vùng núi phía Tây và Tây bắc Địa hình đặc trưng là đồi núi và núicao (bình quân 450m – 800m); Địa hình bị chia cắt nhiều sông suối đi lại khó khăn Theophân cấp địa hình, diện tích đất đồi núi, đất dốc của khu vực huyện Yên Lập chiếm 65%tổng diện tích tự nhiên, trong đó diện tích đất đồi có độ dốc >150 chiếm tới trên 50%.Đây là đặc điểm quan trọng nhất đối với việc ứng dụng công nghệ GPS Hệ thống lướikhống chế tất yếu phải phân bố trên khắp khu vực Tại những khu vực có địa hìnhchuyển đổi giữa đồi núi thấp sang cao cần có những thử nghiệm đánh giá kỹ vì ở nhữngkhu vực có địa hình biến đổi có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết quả đo Để có thểđánh giá cần thử nghiệm Đây cũng là lý do chúng tôi muốn thử nghiệm và đánh giá khảnăng áp dụng công nghệ GPS ở khu vực có địa hình chuyển đổi như ở huyện Yên Lập tỉnhPhú Thọ

1.2.Tổng quan về công nghệ GPS

Từ những năm 60, Cơ quan hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳđã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chínhxác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệthống TRANSIT Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler HệTRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967, một thời gian ngắn sau đóTRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khốngchế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và quý nhất của hệ TRANSIT

Định vị bằng TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà chính xác chỉ đạt cỡ 1m Dovậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chếcạnh dài Nó không thoả mãn được các ứng dụng đo đạc phổ biến như đo đạc đườngchuyền hoặc bố trí các công trình dân dụng Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệthống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là "Hệ thống định vị toàn cầu -NAVSTAR-GPS"

Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh Độ chính xác, định vị bằng hệ thống GPS đượcnâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắcphục Năm 1977 Văn phòng về chính sách viễn thông của Mỹ đã kiến nghị rằng việc triểnkhai đầy đủ hệ định vị toàn cầu GPS sẽ làm tăng giảm đáng kể số hệ thống dẫn đườngđộc lập của quân đội Mỹ, dẫn tới việc giảm chi phí đáng kể số các hệ thống dẫn đườngđộc lập của quân đội Mỹ, dẫn tới việc giảm chi phí dẫn đường hàng năm tới hàng tỷUSD Điều này đã hỗ trợ đẩy mạnh chủ trương triển khai hệ thống GPS Một năm saukhi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS - 2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạnthử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "BlockI" Từnăm 1978 - 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắtđầu vào năm 1989 Hiện thời có 24 vệ tinh này đã triển khai quỹ đạo quanh trái đất vớichu kỳ 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.200

km Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay những vệ tinh Block II đầutiên bắt đầu phóng vào năm 1995 Mặc dù GPS thiết kế ban đầu nhằm sử dụng cho mụcđích quân sự, nhưng ngày nay đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế,xã hội và đặc biệt tỏ ra rất hữu ích trong lĩnh vực trắc địa bản đồ.

Hệ thống định vị GPS đã được công nhận rộng rãi là thiết bị tin cậy, hiệu quả vàcho kết quả đo với độ chính xác rất cao GPS đo được cả ngày lẫn đêm, trong mọi điềukiện thời tiết Ưu điểm nổi bật của GPS là không cần tầm nhìn thông giữa các điểm đo,do vậy mà không mất thời gian và công sức để thông hướng Đây là một ưu điểm củacông nghệ GPS so với công nghệ truyền thống khi xây dựng các mạng lưới khống chế toạđộ bằng các phương pháp tam giác hay đường chuyền, có thể nói GPS là giải pháp côngnghệ cao, tránh chặt phá rừng, bảo vệ môi trường…

Mặc dù những ứng dụng sớm nhất của GPS là công tác đo lưới khống chế, hệthống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện và ứng dụng vào mọi dạng công tácđo đạc như đo đạc địa chính, đo đạc địa hình và các công trình kỹ thuật dân dụng [10]

(1)Đoạn không gian

Các chức năng chính của vệtinh bao gồm:

- Thu nhận và lưu trữ dữ liệuđược truyền từ mảng điều khiển

-Cung cấp thời gian chính xácbằng các chuẩn tần số nguyên tử đặttrên vệ tinh

- Truyền thông tin và tín hiệuđến người sử dụng trên một hay haitần số

Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhântạo phát tín hiệu bay trên các quỹ đạo xácđịnh quanh trái đất Vệ tinh được đưa vàobay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55oso với mặt phẳng xích đạo trái đất, mỗi mặtphẳng quỹ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh (xemhình 1.1) Qũy đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độcao 12.600 dặm (20.200 km), chu kỳ 718phút Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy đểđiều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng

thống GPS

-Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200km, chu kỳ 12 giờ

-Giai đoạn bổ sung (vệ tinh thuộc khối IIR) sẽ thay thế vệ tinh khối II/IIA Mỗi vệtinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo và thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm

(2)Đoạn điều khiển

- Đoạn điều khiển là các trạm mặt đất theo dõi các tín hiệu vệ tinh và gửi đinhững điều chỉnh cần thiết Căn cứ không quân Falcon ở Colorado Spring, bangColorado, USA là nơi điều khiển vận hành hệ thống Đoạn điều khiển bao gồm 4 trạm

theo dõi vệ tinh và 3 trạm tải dữ liệu phân bố trên toàn cầu Mỗi vệ tinh hàng ngày bay qua một trạm theo dõi.

-Số liệu GPS được thu thập bởi các trạm theo dõi và truyền cho trạm chủ MasterStation ở Colorado Spring

-Toạ độ của từng vệ tinh (Ephemeris) và độ lệch đồng hồ vệ tinh theo giờ GPSđược tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ Các trị số đó lại truyền nạp lên vệ tinh hàngngày qua các trạm điều khiển mặt đất

Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái trong đó 1 trạm chủ(Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station) Trạm chủ đặt tại căn cứ khôngquân Falcon ở Colorado Sping, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu đượctừ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi

Hình 1.2 : Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS [10]

Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệtinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua cáctrạm theo dõi (xem hình 1.1.2.2.b).

Hình 1.3: Sõ ðồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển [10]

(3) Đoạn người sử dụng - Các máy thu GPS

Đoạn người sử dụng hay còn gọi là đoạn sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệtinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặtđất (đo tĩnh) hay gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, xe đạp, xe cơ giới, ô tô,máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo… Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máythu Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS phân cực tròn ởmọi hướng Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và xác định toạ độ Tâm pha anten vàtâm máy thu không nhất thiết phải trùng nhau Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng màcác máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trìnhthao tác thu thập số liệu ở thực địa [10]

1.2.2 Tín hiệu GPS

1.2.3.1Tần số cơ bản

-Tần số cơ bản của tín hiệu vệ tinh GPS là fo = 10.23 MHz C/A Code:

-Tín hiệu vệ tinh GPS được mã hoá, có hai loại mã C/A Code và P-Code Việc sửdụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS hoạt động trên cùng tần số mà khôngbị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên duy nhất Máy thu GPS nhận dạngđọc tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏhơn, kinh tế hơn [10]

-Mã C/A-(Coare Acquisition) là mã giả ngẫu nhiên (PRN) được phát đi với tần số1.023 MHz (fo/10) Mã này lặp lại với tần suất miligiây Phương trình giải mã C/A khôngbảo mật do vậy mã C/A thông dụng trong nhiều máy thu dân sự để dẫn đường và lập bản

đồ P.Code.

- P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo =10.23 MHz Tín hiệu này lặp lại với tần suất 267 ngày Chu kỳ 267 ngày chia thành 38đoạn 7 ngày, trong đó có 6 đoạn giành riêng cho mục đích vận hành Mỗi đoạn 7 ngàycòn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh P-Code cũng sử dụng được trong các

ứng dụng dân sự trong trường hợp phương trình giải mã không bảo mật Y.code.

Y.Code là dạng bảo mật của P-Code Việc giải mã Y.Code chỉ thuộc về người dùng cóthẩm quyền Vì vậy khi bên quân đội kích hoạt Y.Code thì người dùng không thuộc quânđội sẽ không có khả năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code Việc sử dụng Y.Code được coi làAnti-Spoofing (AS)

1.2.3.2 Phase sóng mang băng tần L.

Tín hiệu vệ tinh GPS điều biến sóng mang L chứa các thông tin quý giá về thời gianvà vị trí của vệ tinh Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số mạng

Bước sóng L1 = 19cm với tần số là 154*fo = 1575,42 MHz Bướcsóng L2 = 24cm với tần số là 120*fo = 1227,60 MHz Mã sơ bộ(C/A) chỉ điều biến trên sóng mang L1

Mã chính xác P-Code điều biến cả hai sóng mang L1 và L2 khi được bảo mật (khoámã) cho Y-Code [10]

1.2.3.Các trị đo GPS

Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinhtruyền tới Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dung cho việc đo đạc chia thành 2nhóm bao gồm:

+ Nhóm trị đo Code:-C/A.Code,

-P.Code

+ Nhóm trị đo pha:-L1-Carrier,

-L2-Carrier,-Tổ hợp L1/L2

Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách đếntừng vệ tinh Khoảng cách gần đúng - pseudo range giữa vệ tinh và anten máy thu cóchứa sai số trong đó sai số lớn nhất do sự không đồng bộ của đồng hồ vệ tinh và máy thu.Vị trí của từng vệ tinh có trong thông tin quỹ đạo ephemeris do đó vị trí củaanten được xác định khi biết toạ độ vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu bằngcách tính giao hội cạnh [10].

1.2.4.Các phương pháp định vị GPS

1.Định vị tuyệt đối

Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độtoàn cầu WGS -84 Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ việc giải bàitoán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ tinh đếnmáy thu và toạ độ của các vệ tinh tại thời điểm đo Do nhiều nguồn sai số nên độ chínhxác vị trí điểm thấp, không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dung chủ yếu cho việcdẫn đường và các mục đích đạc có yêu cầu độ chính xác không cao Đối với phương phápnày chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh

2.Định vị tương đối

Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu tọa độ không gian của 2 điểm đođồng thời đặt trên hai đầu của khoảng cách cần đo (Baseline) Độ chính xác của phươngpháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xâydựng lưới khống chế trắc địa và các công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ Do bản chất củaphương pháp nêu cần tối thiểu hai máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo Phụ thuộc vàoquan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tươngđối sau:

Định vị tương đối theo phương pháp tĩnh (Static).

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả 2 trị đo Code và Phase sóngtải Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo tọa độtrong khoảng thời gian thong thường từ 1 giờ trở lên

Định vị GPS theo phương pháp đo tĩnh nhanh (Fast Static)

Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắnhơn Gọi là đo nhanh - tăng tốc độ đo là do giải nhanh được số đa trị nguyên Phươngpháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo Code Phương pháp đo tĩnh nhanh vớimáy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổitừ 8’ - 30’ phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìmnhanh số đa trị nguyên và giảm thời gian định vị.

3.Định vị GPS động (Kinematic)

Phương pháp được tiến hành với 1 máy đặt tại trạm cố định (base station) và mộthoặc nhiều các máy khác (rover station) di động đến các điểm cần đo toạ độ Đo GPSđộng là giải pháp đo nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp GPS tĩnhnhưng vẫn đạt độ chính xác đo khoảng cách cỡ cm Nguyên lý đo động là giải được sốnguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác định nhờ giảipháp khởi đo và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh (tốthơn là 5) trong khi đi chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo tại các điểmnày chỉ cần một vài trị đo (epoch)

4.Định vị GPS động xử lý sau Post Processing Kinematic GPS

Đây là phương pháp một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách dichuyển tuần tự máy thu đến các điểm cần xác định toạ độ Toạ độ của các điểm đo cóđược sau khi xử lý số liệu trong phòng Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiếnhành việc khởi đo bằng cách đo tĩnh trên 1 đoạn thẳng sau đó mới đến đo tại các điểmcần xác đinh toạ độ với thời gian ngắn tối thiểu đo 2 trị đo (2 epoch) Nếu trong quá trìnhdi chuyển đến điểm cần đo tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyênđa trị giải được qua phép khởi đo bị mất do đó phải khởi đo lại bằng cách: Máy thuquay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới Với kỹ thuật này máy thu diđộng có năng suất lao động cao hơn nhiều rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chếcấp đường chuyền

5.Đinh vị GPS động thời gian thực (RTK)

Nguyên lý kỹ thuật đo động này tương tự như trên đã trình bày, nhưng đòi hỏiliên kết truyền thông trị đo phase sóng mang từ trạm tĩnh đến trạm di động để tạothành sai phân bậc hai trong sổ điện tử (tieldbook) gắn với máy thu di động và toạ độ củađiểm đo được xác định tại thời điểm tại thực địa Kỹ thuật đo GPS động thời gian thực.(RTK) sử dụng trị đo phase sóng mang và trị do codes Phương pháp đo GPS RTK đòi hỏitần số cao là tốc độ truyền tin cao do vậy nó bị hạn chế tầm hoạt động RTK có hiệu quảcao khi đo đạc và cắm điểm thiết kế ở vùng thoáng đãng nhờ lợi điếm của kỹ thuật giải sốđa trị nhanh Kỹ thuật RTK cho độ chính xác cao cỡ cm về định vị và 0.01 m/s về tốc độ.Nó được ứng dụng trong đo đạc, dẫn đường hàng không, hàng hải và khảo sát thuỷ vănchính xác Đối với đo đạc mặt đất, đo toạ độ chi tiết, có thể cắm điểm ở thực địa với độchính xác cao Đây là ưu điểm quan trong được ứng dụng trong đo đạc địa hình, địa chínhtỷ lệ lớn.

6.Đinh vị DGPS (đo GPS cải chính phân sai)

Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý cả trị đo Cod và đo phas Nội dung củaphương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (trạm tĩnh) có toạ độ biết trướcvà 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (trạm động); trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo sovới toạ độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động.Yêu cầuquan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh và trạm di động phải thu số liệu đồng thời vàtrạm di động phải ghi được số liệu của cùng số vệ tinh mà trạm tĩnh cũng ghi được.Trạm tĩnh phải đặt ở điểm đã có toạ độ Toạ độ trạm tĩnh phải nhập qua bàn phím 1, vàophần mềm xử lý Nếu toạ độ trạm tĩnh không chính xác kết quả tính cải chính phân sai sẽmắc sai số cùng độ lớn và phương vị của sai số trạm tĩnh Có hai phương pháp cải chínhphân sai:Cải chính theo trị đo pseudorange - Measurement Correction: Phần mềmPfinder đọc file rover và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị Sử dụng sốliệu trị đo code pseudorange trong file base tới từng vệ tinh trong nhóm vệ tinh đó,phần mềm xác định sai số pseudorange của từng vệ tinh so với khoảng cách thực củanó Các sai số này được dùng để cải chính số liệu định vị trong file rover

- Cải chính theo vị trí - Position Correction Phần mềm Pfinder đọc file rover và lọcra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị Nếu file số liệu trạm base cũng tính địnhvị đồng thời từ nhóm vệ tinh đó, thì nó sẽ xác định được sai số về độ vĩ, độ kinh, và độcao giữa toạ độ được của trạm base và toạ độ thực của nó Các sai số đó được phần mềmcải chính tương ứng vào toạ độ của trạm rover Phụ thuộc vào thời điểm cải chính màngười ta chia thành các phương pháp đo cải chính phân sai

a.Đo DGPS thời gian thực (Real Time DGPS): Số hiệu chỉnh phân sai phải truyền

từ trạm tĩnh tới trạm di động ngay trong khi đo Các số cái chỉnh cạnh loại code đượctrạm di động sử dụng để nâng cao độ chính xác định vị của nó và hiển thị kết quả ngaytrong khi đo DCPS không tức thời vì phải cần có thời gian truyền số cải chính và tínhtoán toạ độ Số cải chính phân sai phải được truyền cho máy di động dưới hình thức viễnthông (điện tín)

Đôi khi phương pháp DCPS có khó khăn do đường truyền tín hiệu sóng ngắn theo

đường thẳng bị hạn chế giữa máy tĩnh và máy di động b Đo DGPS xử lý sau: Cũng như

phương pháp đo DGPS thời gian thực như số liệu cải chính không truyền trong quá trình

đo mà nhận được sau khi xử lý số liệu trong phòng.c Đo DGPS diện rộng: Là phương pháp

đo DGPS thời gian thực nhưng sử dụng vệ tinh địa tĩnh phát số liệu cái chính cho khu vựcrộng lớn Một số công ty thương mại ngày nay truyền đi số cải chính phân sai GPS dùngvệ tinh địa tĩnh phủ sóng trên một vùng rộng lớn dựa vào mạng lưới trạm thu cố địnhtrên mặt đất Người sử dụng phương pháp DGPS có thể mua các số cải chính này cùng vớicác thiết bị phần mềm, phần cứng thích hợp để có được kết quả định vị ngay không cầnphải có trạm tĩnh riêng Hệ thống vệ tinh Inmarsat, thiết bị Omnistar, Starfĩ là ví dụ vềDGPS diện rộng sử dụng vệ tinh địa tĩnh để truyền số cải chính phân sai Do độ chínhxác không cao nên phương pháp DGPS chỉ được sử dụng trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ trungvà nhỏ hoặc các công tác dẫn đường khác

1.2.5.Các nguồn sai số

1.Tầm nhìn vệ tinh và sự trượt chu kỳ

Điểm quan trọng nhất khi đo GPS là phải có tầm nhìn thông tới ít nhất 4 vệ tinh.Rõ ràng là khi sử dụng được càng nhiều vệ tinh thì kết quả định vị càng tốt hơn.

Tín hiệu GPS là sóng cực ngắn trong phổ điện từ, nó có thể xuyên qua mây mù, songkhông thể truyền qua được tán cây hoặc các vật che chắn như nhà ở Do vậy tầm nhìn vệtinh thông thoáng có tầm quan trọng đặc biệt đối với công tác trắc địa GPS xây dựng cácmạng lưới khống chế toạ độ Khi sử dụng trị đo phase cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệtinh liên tục nhằm xác định số đa trị nguyên khởi đầu Tuy nhiên có trường hợp ngay cảkhi vệ tinh vẫn nhìn thấy nhưng máy thu vẫn bị gián đoạn thu tín hiệu, trường hợp đó cómột số chu kỳ không xác định đã trôi qua mà máy thu không đếm được khiến cho số đatrị nguyên thay đổi và sai kết quả định vị Do đó cần phải phát hiện và xác định sự trôi(trượt) chu kỳ trong tín hiệu GPS Một số máy thu có thể nhận biết sự trượt chu kỳ vàthêm vào số hiệu chính tương ứng Mặt khác khi tính toán xử lý số liệu GPS có thể dùngsai phân bội ba để nhận biết và xử lý trượt chu kỳ (cycle slips) [10]

2.Hiện tượng đa tuyến

Anten phải có tầm nhìn vệ tinh thông thoáng với ngưỡng góc cao trên 150 Việcchọn ngưỡng góc cao l50 này nhằm giảm ảnh hưởng bất lợi của chiết quang của khíquyển và hiện tượng tia tuyến, hiện tượng đa tuyến phát sinh khi tín hiệu GPS phản xạ từcác địa vật gần máy thu Do vậy đường truyền tín hiệu GPS cần phải tránh khu vực có khảnăng phản xạ như hồ nước mặn, nhà cao tầng, xe cộ Hầu hết anten GPS phân biệt đượctín hiệu phản xạ khi nó phản cực đảo Một số anten trắc địa có gắn bản (mâm anten)phẳng tròn các chắn tín hiệu phản xạ

Tránh đặt máy thu gần các địa vật kim loại như hàng rào lưới thép đường truyền tảiđiện để phòng tránh sự tạo ảnh vì trong trường hợp đó vật kim loại có vai trò như anten thứcấp làm méo kết quả định vị [10]

3.Sự phân tán độ chính xác (DOPS)

Trường hợp tối ưu khi thu tín hiệu vệ tinh GPS là vệ tinh cần phải có sự phân bốhình học cân đối trên bầu trời Chỉ số mô tả đồ hình vệ tinh là hệ số phân tán độ chínhxác - hệ số DOP là số nghịch đảo thể tích của khối tứ diện tạo thành giữa các vệ tinh vàmáy thu.

Chỉ số DOP chia ra:

Hình 1.4: Đồ hình phân bố vệ tinh với các chỉ số DOP [10]

4.Các sai số đo

Khi đo GPS tâm hình học của anten máy thu cần đặt chính xác trên tâm mốc điểmđo theo đường dây dọi Điều này đặc biệt quan trọng đối với điểm gốc qui chiếu (trạmtĩnh), bởi vì các lỗi bị mắc phải ở đây sẽ lan truyền tới tất cả các điểm tiếp sau Anten phảiđặt cân bằng, chiều cao từ tâm mốc đến tâm hình học của anten cần đo và ghi lại chínhxác 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 địnhvị 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 mạchđiện tử và sự suy giảm độ phân giải của máy thu Các thiết bị mới hiện đại hơn sẽ cungcấp dữ liệu sạch hơn.

5.Tâm phase của anten

Tâm phase là một điểm nằm bên trong anten, là nơi tín hiệu GPS biến đổi thành tínhiệu trong mạch điện Các trị đo pseudorange được tính vào điểm này Điều này có ýnghĩa quan trọng đối với công tác trắc địa, ở nhà máy chế tạo, anten đã được kiểm địnhsao cho tâm phase trùng với tâm hình học của nó Tuy nhiên tâm phải thay đổi vị trí phụthuộc vào đồ hình vệ tinh, ảnh hưởng này có thể kiểm định trước khi đo hoặc sử dụng môhình tâm phase ở giai đoạn tính sử lý Quy tắc đo là đặt anten dòng theo cùng mộthướng, sử dụng cùng một loại anten cho cùng một loại trạm đo

6.Sai số quỹ đạo vệ tinh

Định vị GPS phụ thuộc vào vị trí đã biết của vệ tinh Người sử dụng phải dựa vàolịch thông báo vệ tinh mà lịch vệ tinh có thể bị lỗi vài chục mét Do vậy nếu sử dụng quỹđạo vệ tinh chính xác có thể đạt kết quả định vị tốt hơn Có hai phương án nhằm hoànthiện thông tin quỹ đạo vệ tinh:

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

-Thu nhận lịch vệ tinh chính xác (precisc ephemeris) từ Dịch vụ Địa động học GPSQuốc tế - the International GPS Service for Geodynamics (IGS)

Cơ quan IGS sử dụng một mạng lưới gồm 70 trạm GPS toàn cầu để theo dõi tínhthành quỹ đạo vệ tinh Hệ thống cho thông tin quỹ đạo ưu việt hơn so với lịch vệ tinhthông báo (broadcast ephemeris) trong khi đó Đoạn điều khiển hệ thống GPS chỉ có 5trạm theo dõi vệ tinh [5]

1.2.6.Xử lý số liệu

Nguyên tắc xử lý toán học các trị đo GPS là áp dụng phương pháp bình phương tốithiểu và các phép toán phân tích xác suất thống kê để tính toán định vị và đánh giá độchính xác kết quả Tuỳ theo thiết kế máy và kỹ thuật đo, phần mềm máy firmware

đã tự động hoá thực hiện những bước tính toán xử lý nhất định trước khi chuyển số liệucho phần mềm xử lý sau, hoặc xuất kết quả trực tiếp ra màn hình feldbook ở thực địa[21] Mô hình xác định từ đo khoảng cách (pseudorange) từ vệ tinh đến máy thu:

Pi A c(TAT i )

Trong đó:

P = Các sai số (nhiễu đa tuyến, nhiễu do máy thu )

Bài toán đươc giải với việc áp dụng "phương pháp bình phương tối thiểu" để xác địnhtoạ độ trạm đo từ các trị đo khoảng cách (pseudoranges) từ máy thu đến vệ tinh

nhỏ nhất của các đại lượng x và y:

X và Y theo nghĩa số bình phương

)

X ( ATWA)1ATWb

Để tiến hành bình sai mạng lưới GPS cần thực hiện các nội dung sau:

Kiểm tra chất lượng: Bao gồm việc kiểm tra chất lượng đo của các cạnh đo giữa hai

hay nhiều ca đo và tính toán sự khác nhau giữa chúng Cung cấp chức năng tính sai sốkhép của các cạnh đo khi chúng hợp thành các đa giác Việc kiểm tra chất lượng mạnglưới bao gồm việc kiểm tra các điểm đo và kiểm tra toàn bộ các hợp phần của mạng lưới

Chất lượng cạnh đo: Bản báo cáo sẽ cho biết tất các các cạnh trong Project và tính

giá trị trung bình của những vécter trùng nhau

Sai số khép:Việc chọn tính sai số khép cho phép bạn kiểm tra sai số của từng đa giác

một Hiệu chỉnh số liệu đo: Đây là công tác loại bỏ đi những số liệu đo không tốt

Kiểm tra từng trị đo trong mạng lưới: Xóa bỏ những trị đo tồi Gộp hoặc chia cắt

các file số liệu đo Nhập lại các giá trị thu thập ngoài thực địa như: chiều cao ăngten,số hiệu điểm Ghi lại các file số liệu theo tên khác

Chức năng Scan: Khi cạnh đo không đạt yêu cầu sau khi xử lý, chúng được đánh

dấu bằng mầu vàng hoặc mầu đỏ Những cạnh này có thể do máy thu thu được những sốliệu kém từ các vệ tinh tải xuống Có thể loại bỏ một phần số liệu này trong chuỗi số liệuliên tục mà máy thu về bằng chức năng Scan Chức năng GPS-Edit: Là công cụ nâng cấpdùng để phân tích và hiện chỉnh số liệu đo GPS, GLONASS, DGPS Trên màn hình hiển thịcác mã trị đo, sóng mang, Doppler cũng như các số liệu liên quan như: wide-laning,ionospheric correction, single, double, triple, and delta differencing

Bình sai: Việc bình sai mạng lưới GPS có thể thực hiện bằng các hệ thống phần mền

chuyên dụng như: GPSuvey; TGO … hoặc các phần mền riêng của từng hãng máy và chỉtiến hành khi các khoản kiểm tra chất lượng đã phù hợp với yêu cầu thì lấy tất cả cácvectơ cạnh độc lập tạo thành hình khép kín, lấy tọa độ 3 chiều trong hệ WGS - 84 của mộtđiểm làm số liệu khởi tính và tiến hành bình sai lưới GPS tự do Kết quả bình sai lưới tựdo sẽ cho tọa độ các điểm trong hệ tọa độ WGS - 84, số hiệu chỉnh trị đo của 3 số gia tọađộ của vectơ cạnh, chiều dài cạnh và thông tin về độ

chính xác vị trí điểm Quá trình này phải tính chuyển từ tọa độ vuông góc không gian XYZvề tọa độ và độ cao trắc địa BLH sau đó chuyển về tọa độ vuông góc phẳng x, y.

ứng;

Trong thành quả bình sai phải đầy đủ các thông tin sau:

-Thông tin về các véc tơ cạnh (baselines) (X, (Y, (Z;

-Sai số khép hình và sai số khép hình yếu nhất;

-Các phương vị cạnh, chiều dài cạnh, hiệu số độ cao và các số hiệu chỉnh tương

-Tọa độ vuông góc không gian XYZ;

-Tọa độ và độ cao trắc địa B,L,H;

-Tọa độ vuông góc phẳng và độ cao thuỷ chuẩn sau bình sai

-Đánh giá sai số cạnh, sai số tương đối cạnh và sai số phương vị cạnh sau bình

sai [5]

1.3.Ứng dụng Phương pháp đo GPS tĩnh để thành lập lưới khống chế

1.3.1.Phương pháp đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế địa chính

Trong công tác đo đạc bản đồ địa chính việc thiết kế hệ thống lưới đo khống chếbằng công nghệ GPS được dựa trên nguyên tắc đo tĩnh Thực chất của phương pháp đolà xác định hiệu toạ độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 đầu của khoảngcách cần đo (base line) Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiềunguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các côngtác đo đạc bản đồ các tỉ lệ Do bản chất của phương pháp nên cần tối thiểu 2 máy thu vệtinh trong 1 thời điểm đo

Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả hai trị đo code và phase sóngmang (carrier phase) Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại các điểmcần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên [10]

Thời gian đo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư(nhiều hơn 4 vệ tinh), và giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác caonhất.

Dữ liệu đo tĩnh xử lý sau và cho kết quả định vị tốt hơn qua việc tính chỉnh mô hìnhđược sử dụng Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụngcó độ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa (1cm+ 1ppm) [5]

1.3.2.Các dạng lưới ứng dụng đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khốngchế địa chính

Dựa vào nguyên lý cơ bản của phương pháp đo tĩnh (Static) là sử dụng hai hoặcnhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tại các điểm cần đo toạ độ trong khoảng thờigian thông thường từ 1giờ trở lên Các ca đo khác nhau liên kết với nhau thong qua ítnhất một điểm đo Các điểm không chế cấp cao hơn sử dụng là các điểm khống chế tọađộ X,Y.H.( Điểm FIX: X,Y,H) [10]

Ví dụ: để thiết lập lưới đo theo sơ đồ đo với tuyến đo với hai máy hình 1.6

Hình 1.5 Sơ đồ đó với hai máy tối thiểu giữa hai điểm gốc

Khi bố trí các điểm đo cần tuân thủ nguyên tắc đã nêu Ví dụ H1.7 và 1.8 là sơ đồđo với tuyến đo với ba và 4 máy[10] Ký hiệu Ci là số hiệu ca đo

Hình 1.6 Sơ đồ đó với ba máy giữa hai điểm gốc

Hình 1.7.Sơ đồ đó với bốn máy đo giữa hai điểm gốc

Thời gian đo kéo đài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư(nhiều hơn 4 vệ tinh), và giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác caonhất Dữ liệu đo tĩnh xử lý sau cho kết quả định vị tốt hơn qua việc tinh chỉnh mô hìnhđược sử dụng Đo GPS tĩnh tương đối đạt độ chính xác cỡ 1cm dùng cho các ứng dụng cóđộ chính xác cao nhất, như thành lập lưới khống chế trắc địa ( 1cm + 1ppm) [10]

3.2.2.2 Thiết kết sơ đồ đo GPS tĩnh (Static) chêm điểm đo

Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng phương pháp đo tĩnh (Static) chêm điểm là sửdụng hai hoạc ba điểm gốc trắc địa, tại đây đặt máy thu cố định thu dữ liệu GPS; tại cácđiểm cần đo toạ độ đặt máy thu trong khoảng thời gian thông thường từ 1giờ trở lên.Các điểm đo khác nhau liên kết trực tiếp với các điểm gốc Ví dụ hình 1.9 Các điểmkhông chế cấp cao hơn sử dụng là các điểm khống chế tọa độ X,Y.H.( Điểm FIX: X,Y,H)[10]

Hình 18 Sơ đồ chêm điểm giữa hai và ba điểm gốc

1.4.Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu

1.4.1 Các hệ thống định vị vệ tinh khác

Ngoài hệ thống GPS được phát triển như đã trình bày ở trên, trên thế giới còn pháttriển các hệ thống định vị khác

Hệ thống "Galileo"của Châu Âu

Khởi động lần đầu vào năm 1999, dự án hệ thống dẫn đường vệ tinh Galileo của EUnhằm đưa châu Âu thoát khỏi của hệ thống định vị toàn cầu phụ thuộc của Mỹ, để phávỡ sự độc quyền hình thức Dự án sẽ khởi động với tổng cộng 30 vệ tinh, phủ sóng toàncầu, tương thích với hệ thống GPS Hoa Kỳ, với tổng vốn đầu tư 34 tỷ euro Sự khác biệtdo các nước thành viên, kế hoạch đã bị hoãn lại nhiều lần, châu Âu Galileo hệ thốngdẫn đường vệ tinh sẽ hoạt động vào năm 2014 So với GPS Hoa Kỳ, "Galileo" hệ thốngđược nâng cao hơn và đáng tin cậy hơn Hoa Kỳ cung cấp cho các nước khác để cung cấptín hiệu vệ tinh GPS chỉ có thể xác định vị trí tuyệt đối cỡ 10 mét trên mặt đất, và"Galileo" vệ tinh có thể phát hiện mục tiêu trên mặt đất cỡ 1 mét Như một chuyên giaquân sự nói rằng, hệ thống GPS, chỉ để tìm các đường phố, và "Galileo", có thể tìm thấymột ngôi nhà [10]

Hệ thống "GLONASS" của Nga

"GLONASS" được phát triển bởi việc triển khai riêng biệt của hệ thống dẫn đườngvệ tinh của Nga, dự án bắt đầu vào những năm 1970, có 22 vệ tinh Glonass của Ngatrong quỹ đạo, nhưng chỉ có 16 trong hoạt động bình thường Hệ thống này đòi hỏi phảicó 18 vệ tinh để đáp ứng nhu cầu tiếp tục cung cấp dịch vụ chuyển hướng cho cả Nga cầnít nhất 24 vệ tinh để cung cấp các dịch vụ định vị toàn cầu Hệ thống vệ tinh GLONASShoàn thành việc triển khai của vệ tinh định vị, phạm vi của nó có thể bao gồm toàn bộ bềmặt Trái đất và không gian gần trái đất, định vị chính xác sẽ đạt 1,5 mét [5]

Hệ thống "Compass" của Trung Quốc

Năm 2003, Trung tâm truyền hình vệ tinh Trung Quốc trong "Long March III A"mang tên lửa, vệ tinh thành công third "Compass" dẫn đường vệ tinh vào không gian, haivệ tinh đầu tiên "Compass"vệ tinh, tương ứng khởi động vào tháng 10 và

tháng 12 năm 2000, hệ thống định vị đã chạy ổn định và trong tình trạng tốt Tháng mộtnăm 2010, Trung Quốc đã phóng thành công một lần nữa vào thứ ba vệ tinh Tây XươngCompass Navigation Satellite (Compass III) Điều này đánh dấu Compass hệ thống dẫnđường vệ tinh đã thực hiện một bước quan trọng trong xây dựng, mạng lưới vệ tinh làđúng tiến độ và đều đặn "Compass" hệ thống dẫn đường vệ tinh là một trong mọi thờitiết, tất cả thời gian chuyển hướng thông tin để cung cấp khu vực hệ thống dẫn đường vệtinh Compass hệ thống dẫn đường vệ tinh sẽ có thể thành công mạng và GPS để cungcấp các dịch vụ tương tự Trung Quốc Compass hệ thống dẫn đường vệ tinh và GPS sẽtrở thành một mệnh "hệ thống dẫn đường vệ tinh" đồng nghĩa với ngôi sao Khônggiống như GPS, các "Big Dipper", chỉ huy và kiểm soát máy bay và thiết bị đầu cuối có thểđược giao tiếp hai chiều 12 Tháng Năm 2008 ở Tứ Xuyên sau trận động đất, Tứ Xuyên,Bắc Kinh chỉ huy cảnh sát vũ trang Trung tâm và sử dụng các lực lượng vũ trang,"Compass" cho một trăm giao lưu Compass II loạt các vệ tinh đã bước vào thời kỳ caođiểm của mạng lưới, xây dựng riêng hệ thống dẫn đường vệ tinh của họ có hệ thốngriêng của mình, quốc phòng của Trung Quốc sẽ về cơ bản kiểm soát của Hoa Kỳ ra khỏi vũkhí tiên tiến của Trung Quốc có đôi mắt riêng của họ, của đất nước chuyển hướng hệthống độc lập được bảo đảm, và đáng tin cậy hơn Được thành lập vào năm 2015 baogồm từ 31 và một số vệ tinh với hệ thống bảo hiểm toàn cầu [10].

1.4.2.Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới ở ViệtNam

Giai đoạn 1991 - 1994: Vào năm 1991 Cục Đo đạc - Bản đồ Nhà nước đã quyết địnhđưa công nghệ định vị toàn cầu GPS (global positioning system) vào áp dụng ở Việt Namđể hoàn chỉnh hệ thống toạ độ quốc gia Lưới toạ độ cơ sở tại các địa bàn chưa phủ lướilà Tây nguyên, Sông bé, Minh hải trên đất liền và lưới toạ độ biển trên tất cả các đảochính tới tận 21 đảo thuộc quần đảo Trường sa đã được xây dựng bằng công nghệ GPS

Giai đoạn 1994 - 1999: Khi xem xét việc hoàn chỉnh hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốcgia, Tổng cục Địa chính đã nhận thấy một số yếu tố mới về công nghệ cần

nghiên cứu thêm để sự lựa chọn phù hợp hơn cho giai đoạn phát triển tiếp theo Các địnhhướng sau đây đã được xác định:

1.Công nghệ GPS đã được xác định là công nghệ định vị của tương lai và sẽ được ápdụng rộng rãi trong hầu hết các mục đích kinh tế và quốc phòng, vì vậy hệ quy chiếu cầnxác định phù hợp với việc áp dụng công nghệ GPS

2.Có thể sử dụng ngay công nghệ GPS khoảng cách dài để xây dựng lưới toạ độ cơ sởcạnh dài có độ chính xác cao hơn hạng I, một mặt để kiểm tra lại độ chính xác các trị đotruyền thống và mặt khác nâng cao độ chính xác hệ thống điểm cơ sở toạ độ

Giai đoạn từ năm 2000 đến nay: Công nghệ GPS đã được xác định là công nghệ địnhvị chính trong thành lập lưới địa chính cơ sở và lưới địa chính

Gần đây kỹ thuật công nghệ GPS trở nên phổ cập hơn Công nghệ GPS đã được cácđịa phương áp dụng thành lập lưới khống chế địa chính kể cả lưới đo vẽ Tuy nhiênviệc áp dụng phương pháp đo tĩnh vào thành lập lưới khống chế địa chính vào hệ thốngthành lập của các địa phương cần có những nghiên cứu đánh giá cụ thể hơn đặc điệt ởnhững khu vực có biến đổi về dị thường trọng lực và di thường độ cao, khu vực có các mỏkim loại

1.5 Vấn đề đặt ra trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế địa chính tại huyện Yên Lập.

Huyện Yên Lập nằm trong khu vực trung du miền núi phía Bắc, đây là khu vực có địahình đặc biệt, khu vực chuyển tiếp từ đồng bằng lên khu vực đồi núi, có các dãy đồi múixen lẫn Ở khu vực độ cao biến động là khu vực có thể có ảnh hưởng đến chất lượng kếtquả đo GPS

Để khẳng định được việc xây dựng lưới địa chính bằng công nghệ GPS với các cạnhđo ở khu vực độ cao biến động tại khu vực Yên Lập có bảo đảm độ chính xác hay không,cần thử nghiệm Quá trình thử nghiệm cần theo dõi các chỉ tiêu đánh giá độ chính xáctheo quy định về các tham số, các chỉ tiêu khi đo tính lưới GPS so với quy phạm, nếu cáctiêu đánh giá khi đo tinh lưới GPS thỏa mãn thì có thể kết luận về khả năng áp dụng Tuynhiên cũng cần lưu ý ở khu vực có địa hình chênh cao lớn đặc biệt với các khu vực có cácmỏ kim loại thì kết quả kiểm tra các véc tơ cạnh thường không hoặc rất khó đạt các hạnsai cho phép

Như vậy nhu cầu đặt ra đối với Phú Thọ là cần đánh giá một cách có hệ thống vềkhả năng sử dụng phương pháp định vị GPS trong khu vực trung du miền núi phía Bắc vềđặc biệt với khả năng ứng dụng phương pháp đo tĩnh ở các khu vực có dị thường độcao biến động có thể đo và đạt các hạn sai cho phép theo quy phạm hay không Việc thửnghiệm thành lập lưới khống chế địa chính tại huyện Yên Lập do tại đây có địa hình trưngtương tự các huyện khác trong tỉnh.

Công nghệ GPS có khả năng áp dụng không chỉ để thành lập lưới khống chế cơ sở,nó còn có khả năng sâm nhập sâu vào các công đoạn thành lập bản đồ như thành lập lướiđo vẽ và đo chi tiết Trong giới hạn của nghiên cứu chúng tôi chỉ tập chung vào nghiêncứu thành lập lưới khống chế trắc địa

Chương 2NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1.Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu

2.1.1.Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống lưới địa chính huyện Yên Lập và Lưới kinh vĩ phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại xã Hưng Long, Huyện Yên Lập

2.1.2.Phạm vi Nghiên cứu

Đề tài được tiến hành nghiên cứu tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ.Phần lưới kinh vĩ phục vụ thành lập bản độ địa chính tại xã Hưng Long, huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ

2.1.3.Địa điểm và thời gian nghiên cứu

2.1.3.1.Địa điểm

Đề tài được thực hiện tại huyện Yên Lập tỉnh Phú Thọ

2.1.3.2.Thời gian

Đề tài được tiến hành trong thời gian từ 7/2014 - 08/2015

2.2.Nội dung nghiên cứu

1.Nghiên cứu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tại huyện Yên Lập Tỉnh Phú Thọ

2.Ứng dụng phương pháp đo GPS vào xây dựng lưới địa chính tại huyện Yên Lập Tỉnh Phú Thọ

3 Kết hợp công nghệ GPS với máy Toàn đạc điện tử lập lưới đo vẽ dạng đường chuyền

4.Đánh giá, phân tích và kiến nghị các giải pháp

2.3.Phương pháp nghiên cứu

2.3.1.Phương pháp thu thập số liệu

Tìm hiểu, thu thập, hệ thống hóa và kế thừa các tài liệu đã nghiên cứu hoặc có liên quan đến mục tiêu của đề tài tại huyện Yên Lập

2.3.2.Phương pháp thành lập lưới

2.3.2.1.Đo GPS tĩnh

Là đo tương đối xác định hiệu toạ độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên2 đầu của khoảng cách cần đo (base line) Độ chính xác của phương pháp rất cao do loạitrừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chếtrắc địa và các công tác đo đạc bản đồ các tỉ lệ Do vậy phương pháp đo tĩnh cần tốithiểu 2 máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đotrong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tĩnh và đo tĩnh nhanh Phươngpháp này được áp dụng để đo lưới địa chính Đây là phương pháp chính xác xác địnhgia số tọa độ giữa hai điểm Khi đó hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu dữ liệu GPS tạicác điểm cần đo toạ độ trong khoảng thời gian thông thường từ 1 giờ trở lên Thời gianđo kéo dài để đạt được sự thay đổi đồ hình vệ tinh: Cung cấp trị đo dư (nhiều hơn 4 vệtinh), và giảm bớt nhiều sai số khác nhằm mục đích đạt độ chính xác cao nhất

2.3.3.Phương pháp xử lý và phân tích số liệu

- Xử lý số liệu GPS bằng phần mềm chuyên dụng kèm theo máy đo.Module WAVE xử lý cạnh để nhận được các cạnh đo ngoài thực địa Không cầnquan tâm đến việc sử dụng công nghệ đo đạc ngoài thực địa, việc xử lý cạnh sẽ tự độngxem xét và phân biệt các file dữ liệu đo tĩnh, tĩnh nhanh, đo động

Sử dụng phần mềm chuyên dụng kèm theo máy đo để sử lý kết quả đo Giúp đạttới độ chính xác theo yêu cầu

2.3.4.Phương pháp kết hợp đo Công nghệ GPS và Toàn đạc điện tử trong thành lập lưới đo vẽ bản đồ địa chính

Trong thành lập lưới đo vẽ khi thành lập bản đồ địa chính trước đây thườngdùng Công nghệ Toàn đạc điện tử thành lập các tuyến đường chuyền Ưu điểm củaphương pháp là mạng lưới đường chuyền có khả năng luồn lách qua các khu vực địa hình.Tuy nhiên kỹ thuật này hạn chế là thời gian thành lập lưới kéo dài; chiều dài tuyến dàingắn, có nhiều điểm nút do vậy để đạt độ chính xác nhiều khi phải đo đi đo lại Phươngpháp phối hợp đo giữa công nghệ GPS và Toàn đạc điện tử trong thành lập lưới đo vẽ khibản đồ địa chính là giải pháp phân đoạn các tuyến đường chuyền ở

những điểm có điều kiện đo GPS để tách hệ thống lưới đường chuyền thành các tuyếnđơn ở các khu vực không có khả năng đo GPS Các điểm có khả năng đo GPS thì thànhlập thành hệ thống lưới KV1 Việc đo bằng công nghệ GPS sẽ giải quyết được thời gian đolưới nhanh độ chính xác sẽ tốt hơn Khi mật độ lưới đo vẽ bằng công nghệ GPS dầy cóthể chỉ cần thành lập các tuyến đơn hoặc tuyến treo (không qua ba điểm) để đo vẽ chitiết.

Chương 3KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU3.1.Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội

3.1.1Điều kiện tự nhiên

3.1.1.1.Vị trí địa lý

Phú Thọ là tỉnh miền núi nằm ở phía Bắc đồng bằng Bắc Bộ, là cửa ngõ giao lưu giữacác tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ với các tỉnh phía Tây Bắc Vị trí địa lý nằm trong khoảng từ104050’ đến 105030’ độ kinh Đông; từ 20056’ đến 21043’ độ vĩ Bắc

Khu đo huyện Yên Lập thuộc nửa phía tây nam tỉnh Phú Thọ, có tọa độ địa lý: Từ 210 11’ 15” đến 210 32’ 30” độ vĩ Bắc

Từ 1040 52’ 30” đến 1050 10’ 30” độ kinh Đông

Hình 3.1 Vị trí huyện Yên lập [12]