Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính cho cụm 03 xã miền núi thuộc huyện thạch thất thành phố hà nội

Page 6Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐĐC : Bản đồ địa chínhDOP : Dilution of Precision Độ mất chính xácGPS : Global Posit

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-BÙI ĐỨC TUỆ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNHPHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNHCHO CỤM 03 XÃ MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THẠCH THẤT

THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2015

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-BÙI ĐỨC TUỆ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNHPHỤC VỤ CÔNG TÁC THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNHCHO CỤM 03 XÃ MIỀN NÚI THUỘC HUYỆN THẠCH THẤT

Trang 3

Page i

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này làtrung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Nội dung đề tài nàylà những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được tổng hợp từ côngtrình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trựctiếp tham gia thực hiện

Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉrõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Đức Tuệ

Trang 4

TS Lê Minh Tá đã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trìnhthực hiện đề tài.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ,động viên và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thànhđề tài

Do thời gian thực hiện có hạn, kinh nghiệm thực tiễn của bản thân chưanhiều, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng gópý kiến của quý Thầy Cô để đề tài hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Đức Tuệ

Trang 5

3 Yêu cầu của đề tài 2

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Chương I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 31

1 Kh 31

1 Cá 61

1 Cá 91

1 Lịc 131

1 Giớ211

2 Cá 241

2 Sai 241

2 Sai 251

2 Sai 261

3 Ưu 261

3 Nh 27

Trang 6

Page 4

1.4 Lưới 271.4.1 Khái 271.4.2 Cơ sở 291.5 Ứng 33Chương II N

G362

1 Đối 362

2 Ph 362

3 Nội 362

4 Ph 372

4 Ph 37Chương III KẾT 3

1 ĐiềTh 383

1 Đặ 383

1 Đặ 403

2 XâTh 413

2 Qu 413

2 Thi 423

2 Ch 443

2 Tổ 483

3 Đo 523

4 Xử 533

4 Tạ 553

4 Xử 59

Trang 7

Page 5

3.4 623.5 633.6 66KẾT 681 Kế 682 Ki 69TÀI 70P

Trang 8

Page 6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BĐĐC : Bản đồ địa chínhDOP : Dilution of Precision

Độ mất chính xácGPS : Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầuHDOP : Horizon Dilution of Precision

Độ mất chính xác theo phương ngangPDOP : Position Dilution of Precision

Độ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3DRatio : Tỉ số phương sai

Reference Variance : Độ chênh lệch tham khảoRms : Sai số chiều dài cạnh TBC : Trimble Business CenterVDOP : Vertiacal Dilution of Precision

Độ mất chính xác theo phương dọcX, Y, h : Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn tạm thờiMx, My, Mh : Sai số theo phương x, y, h

Mp : Sai số vị trí điểm

Trang 9

Page vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT1

TênbTng

233

1 Số 453

2 To 453

3 Số 633

4 Kế 653

5 Sohi 663

6 So 67

Trang 10

Page viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT Th Tg1

1 Mô 31

2 Cấ 51

3 Cá 61

4 Cá 61

5 Xá 71

6 Kỹ 91

7 Kỹ 101

8 Kỹ 121

9 Má 221

10 Má 223

1 Qu 463

2 Ản 473

3 Cử 493

4 Cử 503

5 Cử 503

6 Cử 513

7 Gia553

8 Nh 563

9 Nh 563

10 Nh 573

11 Hộ 573

12 Hộ 583

13 Pla593

14 Pr 593

15 Pr 603

16 Se 613

17 Sơ 63

Trang 11

Page 1

MỞ ĐẦU1 Tính cấp thiết của đề tài

Phát triển và ứng dụng khoa học công nghệ trong mọi lĩnh vực của cuộcsống, xã hội được coi là con đường nhanh nhất để rút ngắn thời gian thực hiện sựnghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đây cũng chính là vấn đề đangđược toàn Đảng, toàn dân hết sức quan tâm, khi mà khoa học công nghệ đang từngngày mở rộng với sự phát triển của nền kinh tế tri thức trong thời đại mới, thời kỳhội nhập

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng cácvệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu thập kỷ70 Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng sau đó đã đượcthương mại hóa, từ năm 1980 hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được sử dụng vàomục đích dân sự Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống kinh tế, xã hộiđã và đang áp dụng công nghệ GPS Trong ngành trắc địa, công nghệ GPS đã mởra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập và xâydựng mạng lưới tọa độ các cấp Với ngành trắc địa bản đồ thì đây là cuộc cáchmạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế trên phạm vitoàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi nhưmột công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt sau: Cóthể xác định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần thông hướng; độchính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể đo trong mọi điều kiệnthời tiết); việc xác định tọa độ các điểm rất nhanh chóng, tính chính xác cao, ở bấtkỳ vị trí nào trên trái đất; kết quả đo đạc có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệtọa độ địa phương bất kỳ

Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện theochiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng rãi Người tađã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước thay thế cho cácphương pháp truyền thống, đạt được độ chính xác cao

Trang 12

Page 2

Huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội những năm qua có tốc độ phát triểnkinh tế tương đối nhanh cùng với việc thay đổi địa giới hành chính của huyện kéotheo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng Chính vì thế nhu cầu bức thiết trong quảnlý đất đai của huyện là phải thành lập được bản đồ địa chính (BĐĐC) có độ chínhxác cao Muốn có được điều đó cần phải xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địabàn huyện

Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công nghệ mớivào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa chính huyện Thạch Thất thành phố HàNội, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tácthành lập bản đồ địa chính cho cụm 03 xã miền núi thuộc huyện Thạch Thấtthành phố Hà Nội ”

3 Yêu cầu của đề tài

- Xây dựng lưới địa chính cho cụm 03 xã miền núi Yên Trung, Yên Bình,Tiến Xuân của huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội bằng công nghệ GPS

- Các yêu cầu kỹ thuật xây dựng lưới tuân theo quy phạm hiện hành của BộTài nguyên và Môi trường

4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài

Dựa trên công nghệ GPS để xây dựng hệ thống lưới địa chính thay thế chophương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần đưa công nghệ mới vào sản xuấtnhằm nâng cao độ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sảnxuất khi xây dựng lưới khống chế trắc địa nói chung và lưới khống chế địa chính ởvùng núi huyện Thạch Thất thành phố Hà Nội nói riêng

Trang 13

Page 3

Chương I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU1.1 Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS

1.1.1 Khái niệm về GPS

Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là Navigation Satellite Timing and RangingGlobal Positioning System Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinhđể cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hệ thống luôn sẵn sàngtrên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết (Ahmed El-Rabbany,2007)

Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS*Các thành phần của GPS:

GPS gồm 3 đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng

(Ahmed El-Rabbany,2007)

• Đoạn không gian ( Space Segment )

- Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ Hiện nay đãcó 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với độ

Trang 14

Page 4

cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất Chukỳ quay của vệ tinh là 718 phút

- Chức năng chính của các vệ tinh là:+ Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển.+ Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh

+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2.- Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác caocỡ 10 -12 Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ đây tạo racác sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz Để giảm ảnh hưởng củatầng điện ly người ta sử dụng hai tần số

- Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phátđi được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là: C/A- Code, P-Code vàY- Code

+ C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thô được sử dụng rộng rãi.C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên Tín hiệu mang code này có tần số thấp(1.023 MHz) C/A Code chỉ điều biến sóng tải L1

+ P-Code (Precision Code) là code chính xác được sử dụng cho các mụcđích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục đích khác khi được phía Mỹ chophép P-Code điều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên

+ Y-Code là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi làkỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới cókhả năng này

Trang 15

Page 5

Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS

• Đoạn điều khiển (Control Segment)

Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii (Thái Bình Dương), ColoradoSprings (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (Đại Tây Dương), DiegoGarcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương), trong đó có 1 trạm trungtâm đặt tại Colorado Springs

Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chứcnăng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của các vệ tinh và hoạtđộng của đồng hồ trên đó Tất cả các số liệu đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách,các số liệu đo khí tượng ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm Trạm trungtâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi và số liệu đo của chính nó đểcho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệtinh Các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ đó truyền tiếplên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác

Trang 16

Page 6

Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS

• Đoạn sử dụng (User Segment)

Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm.- Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để khai thác, sửdụng cho các mục đích, yêu cầu khác nhau của khách hàng

- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ của máy thu

Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS

1.1.2 Các đại lượng đo

Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đocơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và P-

Trang 17

22 2

Page 7

code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2 (Alfred Leick,1995)

• Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code

Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải Máy thu GPScũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy Bằng cách so sánh code thu từ vệtinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lantruyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đếnmáy thu (đến tâm anten của máy thu) Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệtinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảngcách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệtinh và máy thu, đó là khoảng cách giả

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

Code chuyền từ vệ tinh1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1

Code thu được

Code do máy thu tạo ra∆δ

∆t

Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm

Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa độ của điểm xét (máy thu) là

x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đồng bộ

giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đo được là R, ta

có phương trình:

R = c(t + ∆t ) = ( xs − x) + ( y s − y) + ( z s −

z)

Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu.

Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệthống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độchính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều

Trang 18

kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100 m làmức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được khai thác Song kỹthuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chínhxác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợpsử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà Chính vì lý do này màtrước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế củaC/A code Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA,Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000.

• Đo pha sóng tải

Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao Vớimục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhậnđược từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra Hiệu số pha do máy thuđo được ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π)

Khi đó ta có thể viết:

Φ = 2 π

Trong đó: 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, N còn được gọi là số

nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo;

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

Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữavệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn Sóng tải L2 cho độchính xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảmđáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn

Trang 19

Hình 1.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

1.1.3 Các phương pháp định vị

1.1.3.1 Định vị tuyệt đối (point positioning)

Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ của điểmquan sát trong hệ tọa độ WGS-84 Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góckhông gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ trắc địa mặt cầu (B,L,H) Hệ thốngtọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh và điểm quansát đều lấy theo hệ thống tọa độ này

Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo làkhoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từcác điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh (Alfred Leick,1995)

Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từvệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu.Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vịtrí không gian đơn trị của máy thu Song trên thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh vàđồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng cách đo được không phải là khoảngcách chính xác Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là khôngthể xác định được vị trí của máy thu Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêmmột đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:

Trang 20

Page 10

(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

(1.3)

Với khoảng cách giả đo đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu chúng ta sẽ

lập được hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, ∆t) Giải hệ phương trình

trên chúng ta tìm được tọa độ tuyệt đối của máy thu và số hiệu chỉnh đồng hồ của máythu

Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệtinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó số lượng phươngtrình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phươngnhỏ nhất

Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối

1.1.3.2 Định vị tương đối (Relative Positioning)

Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểmquan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (∆X, ∆Y, ∆Z)hay hiệu tọa độ trắc địa mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84

Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượngđo là pha của sóng tải Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định

Trang 21

r hiệu tọa độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhaucho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các nguồn sai số khác nhau như:Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số sốnguyên đa trị,

Ta ký hiệu Φ j(t ) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r vào

thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời

điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được biểu diễn như sau:

j j∆1Φj(ti)= Φ2 (ti)- Φ1 (ti) (1.4)Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh

Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời

điểm ti, ta có phân sai bậc hai:

∆2Φj,k(ti)= ∆1Φk(ti)- ∆1Φj(ti) (1.5)Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinhvà máy thu

Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời

điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba:

∆3Φj,k = ∆2Φj,k(ti+1)- ∆2Φj,k(ti) (1.6)Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị.Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt động Do vậy, tại mỗi thờiđiểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4 Bằng cách tổng hợp theo từngcặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong đo tương đốithường khá dài vì vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm là rấtlớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất

Trang 22

Hình 1.8: Kỹ thuật định vị tương đối

Định vị tương đối có các phương pháp đo cơ bản sau đây:

- Phương pháp đo tĩnh: Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu

tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, nhằm đáp ứngyêu cầu của công tác trắc địa Trong trường hợp này cần có ít nhất hai máy thu, mộtmáy đặt ở điểm đã biết tọa độ còn máy kia đặt tại điểm cần xác định Cả hai máythu đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhấtđịnh, thường từ một đến hai ba giờ đồng hồ Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quansát là 5 Khoảng thời gian quan sát kéo dài là để cho đồ hình phân bố vệ tinh thayđổi từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để cónhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định kết quả quan sát

Đây là phương pháp đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vịtương đối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách giữahai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet Nhược điểm của phương pháp làthời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng xuất đo thường không cao (AlfredLeick,1995)

- Phương pháp đo động: Phương pháp đo động cho phép xác định vị trítương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết Phương pháp này cần có ít nhấthai máy thu để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh

Trang 23

đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ Sau khi đã xác định số nguyên đa trịđược giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đi tiếpsau trong suốt cả chu kỳ đo Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phảilà một giờ đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trongphương pháp này (Alfred Leick,1995)

1.1.3.3 Định vị vi phân (Differential GPS) (Alfred Leick,1995)

Phương pháp này dùng một máy thu đặt cố định tại điểm đã biết tọa độ vàmáy thu này có khả năng phát ra tín hiệu vô tuyến, đồng thời có máy di động khácđặt ở vị trí cần xác định tọa độ Cả máy cố định và máy di động cần đồng thời tiếnhành 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 sailệch này được xác định trên cơ sở so sánh tọa độ tính ra theo tín hiệu thu được từ vệtinh và tọa độ đã biết trước của máy cố định và có thể xem là như nhau cho cả máycố định và máy di động Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy diđộng thu nhận mà hiệu chỉnh cho kết quả xác định tọa độ của mình

1.1.4 Lịch sử phát triển công nghệ GPS

1.1.4.1 Trên thế giới

Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ (NASA)cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệthống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo Hệ thống định vị dẫnđường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT Hệ thống này có 6 vệtinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler Hệ TRANSIT được sử dụng trong thươngmại vào năm 1967 Một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trongtrắc địa Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứngdụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ TRANSIT

Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xácchỉ đạt khoảng 1m Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tácxây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài Hệ này không thoả mãn được cácứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng (BùiHồng Thắm, 2014)

Trang 24

Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứhai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging -Global Positioning System), được gọi tắt là GPS Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinhphát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định Độ chính xác định vịbằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT Nhược điểm về thờigian quan trắc đã được khắc phục Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thốngGPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I" Từ năm 1978 đến năm1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo Hiện nay hầu hết số vệ tinhthuộc Block I đã hết thời hạn sử dụng Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu đượcphóng vào năm 1989 Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6 quỹ đạonghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấpxỉ 12.600 dặm (20.200km) Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III được thiết kế thay thếnhững vệ tinh Block II được phóng lần đầu vào năm 1995 Cho đến nay đã có 27 vệtinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo.

Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệthống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một hệ thốngtương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALILEO củaCộng đồng Châu Âu

Có thể nói, ứng dụng đầu tiên của công nghệ GPS trong trắc địa là đo đạccác mạng lưới khống chế trắc địa mặt bằng Bởi vì, ưu điểm chủ yếu và quan trọngnhất của công nghệ GPS là có thể xác định được véc tơ cạnh giữa các điểm khốngchế trắc địa với độ chính xác cao mà không cần tầm thông hướng giữa các điểm.Phương pháp đo tương đối tĩnh là phương pháp được sử dụng chủ yếu để đo cácmạng lưới khống chế trắc địa

Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng các mạng lưới khốngchế trắc địa đã được ứng dụng phổ biến, đại trà trong sản xuất, ở Việt Nam cũngnhư các nước trên thế giới, bằng kỹ thuật đo tương đối tĩnh, người ta có thể xâydựng được các mạng lưới có cạnh dài đến hàng ngàn mét Các mạng lưới của từngquốc gia, của các quốc gia trong khu vực hay trên toàn thế giới

Trang 25

Ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ GPS là đo nối mạng lưới toạ độ quốcgia của nhiều nước trên thế giới với hệ toạ độ trắc địa toàn cầu WGS-84, hoàn chỉnhcác mạng lưới toạ độ quốc gia đã xây dựng bằng các công nghệ cổ truyền, tăng dàycác mạng lưới tọa độ, xây dựng các mạng lưới mới Bằng ứng dụng này công nghệGPS đã tạo nên sự “giao lưu trắc địa” giữa rất nhiều nước thông qua việc sắp đặtcác tham số tính chuyển giữa các hệ toạ độ quốc gia và hệ toạ độ trắc địa toàn cầuWGS-84 Đến nay đã xác lập được sự chuyển đổi qua lại giữa 185 hệ toạ độ của cácnước khắp các châu lục trên thế giới với hệ WGS-84.

Trong lĩnh vực thành lập lưới trắc địa, nhiều nước đã ứng dụng thành côngcông nghệ GPS từ lâu, dưới đây sẽ giới thiệu một số thành quả của việc ứng dụngcông nghệ GPS của một số nước trong khu vực châu Á-Thái Bình Dương, nhữngnước gần gũi với Việt Nam về vị trí địa lý và trình đội phát triển về đo đạc bản đồ

- Ở Indônêxia công nghệ GPS đã được ứng dụng trong các lĩnh vực thành lậplưới khống chế mặt bằng quốc gia, đo đạc thành lập bản đồ địa chính, đo đạc biển,nghiên cứu địa động học, quản lý đất đai, trắc địa ảnh hàng không, đạo hàng và giaothông, nghiên cứu tầng điện ly, xác định độ cao chính và trọng lực hàng không Bằngcông nghệ GPS, Inđônêxia đã xây dựng trong các năm 1992- 1993 một mạng lướicấp “0” (Zero order GPS Control network) gồm 60 điểm rải đều trên các đảo lớn củađất nước Lưới cấp “0” này được bình sai trong hệ quy chiếu mặt đất quốc tế91(ITRF) và chuyển về hệ WGS-84 Độ chính xác đạt từ 0.01÷0.1 ppm Lưới cấp“0” là cơ sở để phát triển lưới hạng I cũng được thành lập bằng công nghệ GPS.CÁc điểm hạng I được đặt trên từng huyện, đến nay đã xây dựng xong 252 điểm trêncác đảo lớn như: Sumatra- 40 điểm, Sulaweisi- 36 điểm, Kalimantan- 26 điểm và 150điểm ở các đảo Java, Timor, Nusa, Tengara Độ chính xác cạnh hạng I đạt từ 0.1÷ 2phần triệu (ppm)

- Ở Singapore từ năm 1992 đã có chương trình ứng dụng công nghệ GPS đểhiện đại hoá và tăng dày mạng lưới trắc địa của mình Chương trình này nhằm thànhlập mạng lưới đo đạc tích hợp (ISN) gồm các điểm hạng C cấp I và Cấp II Mạnglưới cấp I gồm 38 điểm và cấp II gồm khoảng 10 000 điểm (khoảng cách giữa cácđiểm khoảng 300 m) Năm 1994, Singapore cũng đã ứng dụng công nghệ GPS đểxác định Geoid hình học của mình với mạng lưới khống chế gồm 51 điểm

Trang 26

- Ở New Zealand hệ toạ độ quốc gia đã được công bố năm 1949 (gọi là hệquy chiếu trắc địa New Zealand– NZGSD-49) sau đó đã hoàn chỉnh lại và gọi là hệ93 (NZGSD-93), nhưng năm 1993 New Zealand vẫn sử dụng 6 máy thu GPS haitần số để đo mạng lưới gồm 30 điểm trùng với các điểm cũ để nghiên cứu so sánhkiểm chứng lại hệ toạ độ quốc gia.

- Ở Australia công nghệ GPS đã được ứng dụng để thành lập 9 điểm phủtrùm lãnh thổ, các điểm này tạo thành lưới gọi là lưới chuẩn của Australia Lướichuẩn này đã được tăng dày bởi 60 điểm GPS tạo thành lưới quốc gia Australia.Mạng lưới GPS đã được sủ dụng để kiểm tra, nâng cao độ chính xác các mạng lướitoạ độ hạng I, II, III của Australia và bình sai chung mạng lưới GPS và mạng lướimặt đất đã thiết lập hệ toạ độ mới của Australia

- Ở HiLap từ năm 1989 đến năm 1993 đã thành lập mạng lưới GPS gồm 66điểm sử dụng 10 đến 14 máy thu GPS của các hãng LEICA, TRIMBLE vàASHTECH

Công nghệ GPS cũng đã được sử dụng để xây dựng các mạng lưới cấp “0” ởBa Lan, Latvia, mạng lưới cơ sở vùng biên giới Irắc-Côoet và nhiều nước khác trênthế giới

1.1.4.2 Tại Việt Nam

Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ GPS đã xây dựng hoàn thiện mạnglưới địa chính cơ sở có độ chính xác tương đương hạng III Nhà nước và mật độđiểm của lưới tương đương hạng IV phủ trùm khắp các vùng, miền của đất nước ta.Phục vụ cho công tác tăng dày, phát triển các mạng lưới thấp hơn như: lưới cơ sởhạng IV của các dự án xây dựng, các mạng lưới địa chính và phục vụ công tác đo vẽthành lập bản đồ (Bùi Hồng Thắm, 2014)

• Giai đoạn ứng dụng công nghệ GPS vào hoàn thiện lưới tọa độ quốcgia (1991 – 1994)

Sau khi hòa bình lập lại, từ năm 1959 đến 1966 lưới Thiên văn – trắc địamiền bắc đã được xây dựng dưới dạng lưới tam giác đo góc hạng I, II dày đặc Lướihạng I gồm 339 điểm có chiều dài trung bình là 25 km Lưới có 13 cạnh gốc (đượcđo bằng thước inva và máy đo khoảng cách điện quang), 28 điểm thiên văn và 13phương vị laplace bố trí ở đầu cạnh gốc Lưới tam giác hạng II gồm 1696 điểm

Trang 27

được xây dựng theo phương pháp chêm dày điểm giữa các điểm hạng II có chiềudài trung bình là 14 km Lưới hạng III và IV được chêm dày vào lưới hạng I, IIphục vụ cho các nhu cầu về kinh tế và quốc phòng.

Lưới hạng I, II miền Bắc được bình sai xong vào năm 1966 (do Trung Quốcthực hiện), trên cơ sở này nước ta đã công bố hệ tọa độ HN – 72

Sau khi thống nhất đất nước, lưới tọa độ nhà nước được phát triển xuốngphía Nam Năm 1977 đến 1983, lưới tam giác hạng I khu vực Bình Trị Thiên đượcxây dựng Lưới có 25 điểm, chiều dài cạnh trung bình từ 20 đến 25 km được bố tríthành khóa tam giác giữa hai cạnh gốc Tọa độ phương vị thiên văn được do ở cạnhgốc Lưới tam giác đo góc hạng II được đo trược tiếp từ lưới hạng I Bình Trị Thiênkéo dài đến Đông Nai và Vũng Tàu Lưới gồm 351 điểm, 16 cạnh, 26 điểm thiênvăn, 13 phương vị laplace, chiều dài cạnh từ 10 đến 15 km Ở khu vực Nam Bộ,lưới đường chuyền đo góc, cạnh hạng II được xây dựng với lưới Tây Nam Bô gồm124 điểm, Đông Nam Bộ có 50 điểm Toàn lưới có 8 phương vị thiên văn bố trícách nhau khoảng 10 đến 15 km

Qua quá trình xây dựng cho thấy, lưới tọa độ quốc gia được phát triển quanhiều giai đoạn, bằng nhiều phương pháp chủ yếu là để tăng dày điểm Lưới hạng Imiền bắc là loại lưới có độ chính xác cao và đồng đều Các cấp lưới thấp hơn đượchình thành do chêm dày điểm Bên cạnh đó, tiến độ lưới rất chậm do công nghệ cũvà tốn kém, không đáp ứng yêu cầu kinh tế đang trong giai đoạn phát triển đất nước,lưới tọa độ chưa phủ trùm lên toàn bộ lãnh thổ

Để hoàn chỉnh lưới tọa độ quốc gia, công nghệ GPS đã được ứng dụng vàoviệc tăng dày hệ thống tọa độ Từ năm 1991 đến 1993, lưới ở Minh Hải, Sông Bé vàTây Nguyên đã được xây dựng bằng công nghệ GPS cạnh ngắn có độ chính xáctương đương với lưới hạng II Lưới Minh Hải gồm 15 điểm chiều dài trung bìnhkhoảng 25 km, lưới Sông Bé có 34 điểm, chiều dài trung bình là 27 km, lưới TâyNguyên có 65 điểm, chiều dài trung bình là 30 km

Lưới trắc địa biển được xây dựng bằng việc sử dụng cộng nghệ GPS vàonăm 1992 Lưới gồm 36 điểm, trong đó có 9 điểm thuộc các lưới tam giác, đường

Trang 28

chuyền dọc bờ biển, 9 điểm trên các đảo lớn vào 18 điểm trên quần đảo Trường Sa.Lưới có cấu trúc tam giác dày đặc trừ lưới Trường Sa được đo ở dạng tam giác đơn.

Để nối một số điểm trong các lưới tam giác, đường chuyền từ Bắc đến Namnhằm tăng cường độ chính xác cho lưới tọa độ nhà nước, lưới GPS cạnh dài baogồm 10 điểm trên lãnh thổ Việt Nam đã được thiết lập với các điểm lưới trùng vớilưới mặt đất đã xây dựng

Lưới GPS cạnh dài chung(bao gồm lưới GPS cạnh dài trên đất liền và trênbiển) đã được xây dựng phủ trùm cả nước ta Độ chính xác của lưới nhìn chung caohơn so với lưới được đo bằng công nghệ truyền thống, tuy nhiên tương ứng vớicông nghệ GPS(máy thu 2 tần số) có thể đạt được

Như vậy, công nghệ GPS bước đầu đã được ứng dụng trong xây dựng lướitọa độ quốc gia ở nước ta Vai trò chủ yếu của lưới trong giai đoạn này là hỗ trợ đẩynhanh tiến độ thực hiện tăng dầy các mạng lưới truyền thống

• Giai đoạn ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới cấp “0”, tính toánbình sai lưới trắc địa hỗ hợp và xây dựng hệ quy chiếu tọa độ quốc gia(1995 –2000)

Sau năm 1975, hệ tọa độ HN – 72 đã được sử dụng cho toàn đất nước Hệtoạ độ này có ellipsoid thực dụng là ellipsoid Krasovski 1940, điểm gốc tọa độ làđiểm Punkôvô (Liên Xô cũ) dẫn qua điểm Nguc Lĩnh (Trung Quốc) chuyền về lướitam giác hạng I Khu Đông của miền bắc nước ta Từ lưới khu Đông bình sai độc lậplấy làm số liệu gốc chuyền tọa độ sang lưới tam giác hạng I khu Tây 1 và Tây 2.Tọa độ vuông góc phẳng của HN – 72 là tọa độ Gauss – kruger Sau khi thống nhấtđất nước, tọa độ HN – 72 được chuyển theo lưới Bình Trị Thiên vào Nam qua lướitam giác hạng II Nam Trung Bộ Tọa độ của lưới Đông Nam Bộ có điểm gốc ở nhàthờ Hạng Đông Tây Tọa độ cũ được chuyển sang HN – 72 làm số liệu khởi tính.Tọa độ của lưới Tây Nam Bộ có điểm gốc ở An Giang cũng có tọa độ xử lý nhưđiểm gốc Đông Nam Bộ

Mặc dù HN – 72 được sử thống nhất trong cả nước nhưng thực chất là cáclưới thành phần riêng rẽ có điểm gốc khác nhau (được tính chuyền từ lưới thànhphần sang lưới thành phần khác) Hệ tọa độ HN – 72 chưa được hiệu chỉnh vào trị

Trang 29

đo độ lệch dây dọi và độ cao geoid chặt chẽ, điểm gốc Láng chưa được định vị theoellipsoid Karsovoki phù hợp với lãnh thổ nên có dị thường độ cao rất lớn Thêm vàođó, phép chiếu Gaus – Kruger của HN – 72 gây khó khăn trong việc hội nhập quốctế khi hầu hết các nước đều sử dụng hệ tọa độ phẳng UTM Từ đó đã cho thấy sựcần thiết phải xây dựng hệ tọa độ quốc gia của Việt Nam khi bước sang thế kỉ 21với mục tiêu theo kịp trình độ khoa học trắc địa và bản đồ thế giới, đặc biệt vớinhững tiến bộ của công nghệ GPS cho độ chính xác định vị điểm rất cao.

Để hoàn thiện lưới tọa độ quốc gia và xây dụng hệ quy chiếu quốc gia mới,các lưới GPS đã được xây dựng nhằm nâng cao độ chính xác của lưới tọa độ quốcgia hiện có Các lưới GPS được xây dựng ở nước ta trong giai oạn này gồm:

- Năm 1995, lưới tọa độ cấp “0” đã được xây dựng bằng công nghệ GPS lướigồm 69 điểm trong đó có 56 điểm trùng với các điểm tọa độ hạng I, II cũ và 13điểm mới Lưới được phân bố đều và phủ trùm lãnh thổ nước ta

- Năm 1997, 8 điểm GPS cấp “0” phân bố điểm trên toàn bộ lãnh thổ đãđược đo tuyệt đối nhằm mục đích kiểm tra chất lượng và cơ sở thiết lập mối quanhệ giữa tọa độ nước ta với tọa độ quốc tế

- Năm 1998, đo bổ sung vào lưới cấp “0” 40 điểm GPS đo nối độ cao thủychuẩn hạng I, II phụ vụ cho việc định vị ellipsoid thực dụng và xây dựng mô hìnhgeoid của Việt Nam

- Năm 1999, ellipsoid quy chiếu của Việt Nam được lựa chọn là ellipsoidWGS – 84, được định vị phù hợp ở Việt Nam theo điểm gốc mới là điểm N00 đặt tạikhuôn viên của Viện Khoa Học Trắc Địa và Bản Đồ và 25 điểm GPS cơ sở đượclựa chọn phục vụ định vị Lưới GPS cấp “0” đã được đo nối với lưới IGS quốc tế.Tọa độ vuông góc phẳng được sử dụng là UTM

- Từ 12 tháng 7 năm 2000, hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN – 2000 đã đượccông bố đưa vào sử dụng thống nhất trong cả nước thay thế cho HN – 72 trước đây

Như vậy, công nghệ GPS được ứng dụng trong giai đoạn này ở Việt Namchủ yếu là để “cứng” hóa hệ tọa độ và thiết lập hệ quy chiếu mới

• Những ứng dụng công nghệ GPS trong giai đoạn 2001 - 2008

Hệ VN – 2000 đã đáp ứng được các yêu cầu mang tính lịch sử trong giai

Trang 30

Page 20

đoạn nay, đó là thống nhất việc sử dụng hệ tọa độ, độ cao trong cả nước, đóng vaitrò to lớn phục vụ các lĩnh vực phát triển kinh tế, đảm bảo an ninh – quốc phòng vàcác nhu cầu dân sự về thông tin trắc địa và bản đồ Lưới tọa độ quốc gia của ViệtNam hiện nay là lưới dựa trên cơ sở lưới GPS cấp “0” đã được nối với IGS quốc tế.Việc phát triển cấp hạng lưới tiếp theo không tuân theo quy trình như lưới truyềnthống trước đây mà phát triển xuống lưới địa chính có độ chính xác tương đươngvới lưới hạng II và tiến hành quá trình hòa nhập thực hiện các nhiệm vụ mang tínhquốc tế và khu vực

- Lưới địa chính cơ sở

Từ năm 1994 đến 2003, lưới địa chính cơ sở đã được xây dựng theo côngnghệ GPS phụ vụ cho công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính và các công tác đođạc bản đồ ở địa phương Lưới phủ trùm toàn quốc với tổng số 12.631 điểm thaythế hoàn toàn lưới hạng III và lưới hạng IV cũ, chiều dài cạnh từ 3 đến 5 km Cácđiểm của lưới là các mốc tọa độ hạng III, IV cũ và điểm mới được lựa chọn theo cácyêu cầu của chọn điểm GNSS Lưới được tính toán bình sai trong hệ tọa độ VN –2000 theo kinh tuyến trục địa phương và được hoàn thành năm 2004 Lưới này cònđược gọi là lưới tọa độ hạng III quốc gia

- Hệ thống trạm GPS quốc gia

Hệ thống các trạm DGPS phục vụ đo đạc biển và đo đạc biên giới bao gồmcác trạm Đồ Sơn, Vũng Tàu, Điện Biên, Hà Giang, Cao Bằng và Quảng Nam là cáctrạm do Bộ Tài Nguyên và Môi Trường xây dựng và quản lý Các trạm Đồ Sơn,Quảng Nam và Vũng Tàu có khả năng cung cấp tín hiệu cải chính sai phân chủ yếucho các ứng dụng đo biển Hệ thống trạm quốc gia Đồ Sơn, Điện Biên, Vũng Tàuvà Quảng Nam được xây dựng theo tiêu chuẩn quốc tế đối với trạm GPS cố định.Trạm Điện Biên, Hà Giang và Cao Bằng xây dựng để phục vụ cho công tác phângiới cắm mốc trên đất liền Việt Nam – Trung Quốc

- Hệ thống trạm DGPS/CORS

Để xây dựng hệ quy chiếu – hệ tọa độ quân sự, Bộ Quốc Phòng đã xây dựnghệ thống trạm DGPS/CORS gồm 6 điểm cơ sở cố định có 2 chức năng chính làchức năng DGPS (phát số cải chính nâng cao độ chính xác định vị và dẫn đường

Trang 31

Page 21

cho các phương tiện di động) và chức năng GNSS CORS (đo liên tục để phục vụcho các mục đích nghiên cứu khoa học, công tác khảo sát đo đạc,…) Các trạm PhúQuốc, Đà Nẵng, Móng Cái và Đảo Trường Sa Lớn hiện nay đã đi vào hoạt động,Trạm Cửa Lò và Cam Ranh đã có chủ trương xây dựng Các trạm này được thiết kếthành hệ thống hoạt động theo nguyên tác DGPS/RTK

- Tham gia lưới trắc địa khu vực Châu Á – Thái Bình Dương

Từ năm 1996, Việt Nam tham gia lưới trắc địa khu vực Châu Á – Thái BìnhDương (APRGP) với mục tiêu là hình thành một lưới khung quy chiếu trắc địatrong khu vựa để tham gia hợp tác với IAG và FIG nhằm giải quyết những vấn đềliên quan đến GPS

Dựa trên kết quả đo GPS của các nước tham gia, nhóm kỹ thuật APRGP xửlý, tính toán thông báo tọa độ các trạm GPS cua từng nước và tốc độ chuyển dịchcủa chúng được chỉnh lý theo khung quy chiếu Trái đất quốc tế (ITRF)

- Lưới địa động lực Nam – Đông Nam Á.

Để xác định chuyển động của các mảng và biến dạng của vỏ Trái đất khuvực Đông Nam Á và đánh giá các tai biến liên quan, Việt Nam đã tham gia lưới địađộng lực Nam – Đông Nam Á với 2 điểm GPS là CAMP (Cẩm Phả) ở Quảng Ninhvà NONN(Ngũ Hành Sơn) ở Đà Nẵng

1.1.5 Giới thiệu một số loại máy đo GPS

Trong quá trình thi công thì đơn vị sử dụng 02 máy định vị GPS 2 tần Trimble(số hiệu R4-5575; 5800-1615) và 04 máy định vị GPS 1 tần Trimble 4600LS( sốhiệu

5817, 9343, 2343,2347)

Máy có một số chức năng sau:- Đo đạc thành lập lưới khống chế tọa độ từ hạng II trở xuống.- Đo đạc xác định độ cao với độ chính xác tương đương thủy chuẩn kỹ thuật.- Đo đạc chi tiết thành lập bình đồ, bản đồ địa hình, địa chính

- Đo đạc xác định mặt cắt địa hình, tính toán khối lượng đào đắp,…

* Các chỉ tiêu kỹ thuật

Trang 32

Page 22

Hình 1.9: Máy GPS 2 tần Trimble 5800

Hình 1.10: Máy GPS Trimble R4

Trang 33

Bảng 1.1: Chỉ tiêu kỹ thuật của máy đo GPS

Tên m

Đo pha

Độ chính Độ ch

Độ

5800

24kênhL1C/

Mặt phẳng: ± 5mm

Mặtphẳn

-R4

24kênhL1C/AC

+ Mặt phẳng: 3 mm +0.1ppmRMS

+ Thời giankhảosát đođộng:- Kho46

00LS

L1 – C/A Code

Mặtbằng:±5mm+1pp

-+Đođộngxửlýsau(Kin

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 23

Trang 34

Page 24

Ngoài ra, hiện nay trên thực tế nhiều đơn vị sử dụng các loại máy như máyHi-Taget, South, Leica, Sokkia Những loại máy GPS này với ưu điểm giá thành rẻđã và đang được sử dụng rộng rãi trong các công tác trắc địa

1.2 Các nguồn sai số trong đo GPS

Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3x108m/s, nếu sai số đồnghồ thạch anh là 10-4s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30 m, nếu đồng hồ nguyêntử sai 10-7s thì khoảng cách sai 3 m

Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương đốiđể loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ

1.2.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh

Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất chịunhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất, ảnh hưởngcủa sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác động tới quỹ đạo củavệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân theo đúng 3 định luậtKepler Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn đến kết quả định vịtuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định vị tương đối hoặc vi phân

(Đặng Nam Chinh & Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể căn cứvào lịch vệ tinh Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ tinh đượcchia làm 3 loại là:

Trang 35

Page 25

- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định quangcảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai số khoảngvài km

- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): Được tạo lập dựa trên 5 trạmquan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ nhiễu SA đãđược bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m

- Lịch vệ tinh chính xác: Được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc trongmạng lưới giám sát và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại lịch nàycho sai số nhỏ hơn 0.5m

1.2.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu

Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn 20.000km,trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50km tới độ cao 500km và tầng đối lưu từ độ cao50km đến mặt đất Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị thay đổi (tán xạ) phụthuộc vào mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tình trạng hơi nước, nhiệt độ và

các bụi khí quyển trong tầng đối lưu (Đặng Nam Chinh & Đỗ Ngọc Đường, 2012)

Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi định vị tuyệt đốicó thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể gây sai sốkhoảng 3m

Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do đó ảnh hưởngcủa tầng điện ly đã được giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới đặc tính của sóng cựcngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn

Ảnh hưởng của tầng điện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử dụngmáy thu 2 tần sẽ khắc phục được ảnh hưởng này

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

Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta quy định chỉ sử dụng tínhiệu vệ tinh có góc cao trên 15o (hoặc trên 10o)

Trang 36

Page 26

1.2.4 Sai số do nhiễu tín hiệu

Ăng ten của máy thu không chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà cònnhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh Sai số này gọi làsai số do nhiễu tín hiệu Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một sốnguyên 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 điện từ khác.- Máy thu GPS đặt gần các đường dây tải điện cao áp

- Tín hiệu bị gián đoạn do các vật che chắn tín hiệu.Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa cáctrạm phát sóng, các đường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các rặng cây

1.2.5 Sai số do người đo

Người đo có thể phạm các sai lầm như: Trong đo chiều cao anten, dọiđiểm định tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten Để tránh các sai sốnày thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao anten

Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới độ caocủa điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng

Trong khi thu tín hiệu không nên đứng vây quanh máy thu, không che ô chomáy thu

1.3 Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp định vị GPS

1.3.1 Ưu điểm

- Các vệ tinh có thể được quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng lớnnhư quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp định vị truyền thống chỉ khốngchế ở một khu vực nhỏ hẹp

- Không đòi hỏi thông hướng trên mặt đất giữa các trạm đo.- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời điểm bất kỳ: Trên mặt đất, trênbiển và trong không gian cho đối tượng đứng yên hay di động

- Có thể đo 24h/ngày trong mọi điều kiện thời tiết Cho nên thời gian thicông nhanh đem lại hiệu quả kinh tế cao

Trang 37

Page 27

- Độ chính xác lưới cao và đồng đều Độ chính xác không phụ thuộc vào đồhình của lưới cho nên thuận lợi cho công tác thiết kế lưới

- Công tác xử lý nội nghiệp hoàn toàn tự động theo các chương trình có sẵnnên kết quả có độ tin cậy cao

1.4.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới

1.4.1.1 Khái niệm về lưới GPS

Lưới GPS gồm hệ thống các điểm được chôn trên mặt đất nơi ổn định hoặcbố trí trên đỉnh các công trình vững chắc, kiên cố Các điểm này được liên kết vớinhau bởi các cạnh đo, nhờ các cạnh đo chúng ta sẽ tính toán xác định tọa độ, độ caocủa các điểm trong một hệ thống tọa độ thống nhất (Nguyễn Khắc Thời, Đàm XuânHoàn, Lê Minh Tá, 2010)

1.4.1.2 Nguyên tắc thiết kế và chọn điểm lưới địa chính

* Công tác thiết kế lưới và chọn điểm tuân thủ theo nguyên tắc sau:- Dụa vào các Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn nhất trong khu đo có.- Doa vào các loại tỷ lệ bản đồ cần thành lập

- Dựa vào số lượng điểm gốc.- Dựa vào điều kiện tự nhiên của khu vực và đặc biết là tình hình giao thôngđịa hình rồi địa văn ảnh hưởng lớn dến quá tình thi công

- Lưới địa chính đo phải bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giácdày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, chuỗi tứ giác được đo nối ( tiếp điểm) với ít nhất 3điểm hạng cao; khoảng cách giữa các điểm hạng cao không vượt quá 10Km Vớiphương pháp lập lưới địa chính truyền thống, độ chính xác lưới địa chính phụ thuộcnhiều vào đồ hình xây dựng lưới và với mỗi một điểm thì đều cần phải có sự thônghướng sang ít nhất là hai điểm kế bên của lưới, để có thể có số liệu phục vụ công tácbình sai tính toán thành quả xây dựng lưới Điều này làm giảm tiến độ của công

Trang 38

Page 28

trình, tồn tại nhiều nguồn sai số trong xây dựng lưới, gây lãng phí và tốn kém vềkinh tế hơn so với lưới được lập bằng công nghệ GPS

- Khi xây dựng lưới địa chính bằng công nghệ GPS phải đảm bảo có một sốcặp điểm thông hướng để có thể phát triển lưới cấp thấp hơn bằng phương pháptruyền thống Vị trí chọn điểm phải quang đãng, thông thoáng, cách các trạm phátsóng tối thiểu 500m Tầm quan sát vệ tinh thông thoáng trong phạm vi góc thiênđỉnh phải lớn hơn 750 Trong trường hợp đặc biệt khó khăn cũng không được nhỏhơn 550 và chỉ được khuất về một phía Các thông tin trên phải ghi rõ vào ghi chúđiểm để lựa chọn khoảng thời gian đo cho thích hợp

- Lưới thiết kế phải đi từ tổng quát đến chi tiết, từ độ chính xác cao đến độchính xác thấp

- Hệ thống lưới tọa độ cơ sở phải được xây dựng trên cơ sở các điểm tọa độNhà nước cấp cao hơn

- Sai số số liệu gốc của lưới cấp trên ảnh hưởng đến cấp dưới kế cận khôngđược vượt quá 12%

- Lưới thiết kế phải đảm bảo đủ mật độ điểm, phủ trùm khu đo, phục vụ chocông tác đo vẽ bản đồ địa chính theo từng giai đoạn

- Thường xuyên cập nhật, tiến hành nâng cao độ chính xác bằng cộng nghệvà kỹ thuật đo tiến tiến

- Trong quá trình thiết kế cố gắng chọn phương án tối ưu, giá thành rẻ, dễthi công, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong công tác đo vẽ theo từng cấp hạng

Phải phục vụ trực tiếp cho việc phát triển lưới khống chế đo vẽ bản đồ địachính tỷ lệ lớn

- Khi thiết kế lưới các điểm lưới toạ độ địa chính phải phủ trùm lên khu đo.Phải có đầy đủ cơ sở khoa học, có độ chính xác và mật độ điểm đảm bảo theo quyđịnh hiện hành và phù hợp với tình hình khu đo

- Các điểm địa chính phải chôn ở nơi có nền đất ổn định và thuận tiện choviệc phát triển lưới khống chế đo vẽ Kích thước mốc phải tuân theo quy định củaquy phạm hiện hành

* Khi thiết kế và chọn điểm GPS cần lưu ý đến các điều cơ bản sau:- Các vật cản xung quanh điểm đo có góc ngưỡng không quá 150 để tránhcản tín hiệu GPS

Trang 39

Page 29

- Các điểm được chọn không được đặt quá gần các bề mặt phản xạ như cấukiện kim loại, mặt nước, mặt gương vì chúng có thể gây hiện tượng đa đường dẫn

- Không quá gần các thiết bị điện( trạm phát sóng, đường dây điện cao áp )có thể gây nhiễu tín hiệu

- Nền đất ổn định để bảo quản điểm GPS tồn tại lâu dài

1.4.2 Cơ sở toán học của lưới địa chính

1.4.2.1 Lựa chọn mặt chiếu (Đặng Nam Chinh, 2004)

Việc thể hiện bề mặt trái đất lên mặt phẳng cần phải có một cơ sở toán họcnhằm thể hiện chính xác và ít bị biến dạng khi khai triển

Mặt Geoid trái đất có kích thước và hình dạng phức tạp không thể hiện nóbằng một mặt toán học được nên ta phải có một bề mặt chuẩn nào đó để so sánh màcơ sở đặt ra là phải có tính ổn định Trái đất chia làm hai phần: lục địa và đại dương.Trong đó phần lục địa chiếm 1/3 diện tích trái đất, là nơi con người sinh sống; làphần có địa hình, địa vật và cấu tạo vật chất phức tạp cho nên không thể làm cơ sởđể so sánh Vì thế có nhiều ý tưởng chọn mặt đại dương là mặt cơ sở để so sánh, vìbề mặt đại dương trơn láng, chiếm đại đa số diện tích Trái đất Tuy nhiên mặt nướcbiển không ổn định mà có biến động rất nhiều Nhằm khắc phục tính không ổn địnhcủa mực nước biển người ta xây dựng các trạm nghiệm triều để đo mực nước biển,rồi lấy giá trị trung bình từng ngày so sánh người ta thấy giá trị sai lệch cao, sauđó lấy giá trị trung bình theo tháng nhưng vẫn chưa đạt yêu cầu, người ta tiếp tục sosánh giá trị trung bình theo từng năm Người ta nhận thấy nếu lấy theo chu kì 17,67năm thì chỉ số sai lệch chỉ từ vài mm đến vài cm, thoả mãn được yêu cầu đặt ra

Khác mặt Geoid, một bề mặt khác đơn giản thể hiện được dưới dạng phươngtrình toán học để thể hiện một cách gần đúng bề mặt trái đất dùng làm cơ sở so sánhmặt bằng đó là mặt Ellipsoid

Ellipsoid tròn xoay có phương trình toán học:

2 2 2

X

+ Y + Z =1

a 2 a 2 2 b

Ellipsoid toàn cầu là một Ellipsoid toán học tròn xoay xấp xỉ tốt nhất đối vớiphạm vi toàn thế giới Ellipsoid toàn cầu có trục quay trùng với trục quay Trái đất,

Trang 40

Page 30

trọng tâm trùng với trọng tâm trái đất Tuy nhiên đưa trọng tâm Ellipsoid trùng vớitrọng tâm của trái đất là không thể vì vậy đưa vào hai bề mặt xấp xỉ càng tốt

Ellipsoid toàn cầu chỉ tốt trên phạm vi toàn cầu, vì vậy mỗi quốc gia đều tìmmột mặt Ellipsoid phù hợp với quốc gia đó gọi là Ellipsoid cục bộ Kích thướcEllipsoid có nhiều giá trị khác nhau

- Có hai phương án để chọn Ellipsoid cục bộ:+ Xây dựng Ellipsoid mới phù hợp với lãnh thổ của mỗi quốc gia, tuy độ phùhợp cao nhưng chi phí quá cao

+ Sử dụng Ellipsoid có sẵn và định vị lại cho phù hợp với lãnh thổ của quốcgia mình, độ phù hợp ở mức độ tương đối nhưng chi phí thấp

Để khai triển chính xác mặt Ellipsoid lên mặt phẳng thì cần một mặt trunggian để biểu diễn thành mặt phẳng Yêu cầu về mặt trung gian này càng gần với mặtEllipsoid càng tốt để giảm sai số biến dạng và mặt cong này được gọi là mặt chiếu.Có 3 mặt chiếu (hình trụ, hình phẳng, hình nón) và mỗi mặt chiếu sử dụng 3 phépchiếu (đứng, ngang, nghiêng) Không có phép chiếu nào tốt nhất, phép chiếu chỉ tốtvới một khu vực cụ thể Mặt chiếu được sử dụng hiện nay là mặt trụ, phép chiếuđược sử dụng là phép chiếu hình trụ ngang đồng góc đối xứng cắt Ellipsoid 00000

Cơ sở toán học (Đặng Nam Chinh, 2004)

Ở Việt Nam theo Thông tư 973/2001/TT-TCĐC ngày 20/06/2001 của Tổngcục Địa chính (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) về việc hướng dẫn áp dụng hệquy chiếu và hệ tọa độ Quốc gia VN-2000 (sau đây gọi tắt là hệ VN-2000) Hệ quychiếu và hệ tọa độ Quốc gia VN-2000 được áp dụng thống nhất để xây dựng hệthống tọa độ các cấp hạng, hệ thống bản đồ địa chính, hệ thống bản đồ hành chínhquốc gia và các loại bản đồ chuyên đề khác

Hệ VN-2000 có các tham số chính sau đây:Ellipsoid quy chiếu quốc gia là Ellipsoid WGS-84 toàn cầu với kích thước:- Bán trục lớn: a= 6378137,0 m

- Độ dẹt: f= 1:298,257223563- Tốc độ góc quay quanh trục: ω= 7292115,0x10-11rad/s- Hằng số trọng trường Trái đất: GM= 3986005 108 m3s-2

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	14,12 MB