ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS ĐO ĐẠC LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ, TỈNH SÓC TRĂNG

Trước nhu cầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo định vị GPS trong nhà trường đối với sinh viên ngành công nghệ địa chính nói chung và việc tìm hiểu quy trình công nghệ GPS trong việc thàn

KHOA QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI & BẤT ĐỘNG SẢN

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) XÂY DỰNG LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ,

TỈNH SÓC TRĂNG

SVTH MSSV LỚP KHÓA NGÀNH

:: : ::

HUỲNH NHẬT HUY

06151009 DH06DC

2006 – 2010 Công Nghệ Địa Chính

- TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 -

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Quang Thịnh

(Trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh)

Ký tên

……… ………

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010

Đầu tiên con xin ghi nhớ công ơn cha mẹ – người đã sinh  thành, nuôi dưỡng và tạo mọi điều kiện cho con đến ngày hôm nay.  Con cảm ơn những người thân trong gia đình đã động viên và giúp 

đỡ con trong suốt quá trình học tập. 

Em cảm ơn những thầy cô trường ĐH Nông Lâm TP.HCM 

đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong thời gian học  tập  tại  trường.  Đặc  biệt  em  xin  chân  thành  cảm  ơn  thầy  Đặng  Quang  Thịnh  cùng  các  thầy  cô  bộ  môn  Công  nghệ  Địa  chính  và  khoa Quản lý Đất đai và Bất Động sản đã tận tình giúp đỡ, hướng  dẫn, cung cấp tài liệu, hỗ trợ kiến thức,… tạo mọi điều kiện thuận  lợi cho em hoàn thành báo cáo tốt nghiệp này. 

Em xin chân thành cảm ơn các cô chú, các anh chị làm việc  tại  Xí Nghiệp Trắc Địa Bản Đồ 305 – Công ty Đo đạc Địa chính và Công trình đã nhiệt tình giúp đỡ  và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong 

suốt thời gian thực tập và thực hiện đề tài này. 

Cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè trong suốt quá trình học tập 

và thực hiện đề tài này. 

Do hiểu biết còn hạn chế và thời gian thực tập ngắn nên đề  tài không thể tránh khỏi những sai sót rất kính mong được sự đóng  góp ý kiến của quý thầy cô! 

TÓM TẮT

Sinh viên thực hiện: Huỳnh Nhật Huy , ngành Công nghệ Địa chính, khoa

Quản lý Đất đai & Bất Động sản, trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh

Đề tài: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) THÀNH LẬP LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ, TỈNH SÓC TRĂNG

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Đặng Quang Thịnh, bộ môn Công nghệ Địa chính,

Khoa Quản lý Đất đai & Bất Động sản, trường Đại học Nông Lâm TP.Hồ Chí Minh

Nội dung tóm tắt của báo cáo:

Tỉnh Sóc Trăng đang trong giai đoạn xây dựng và phát triển với các đòi hỏi về việc xây dựng cơ sở hạ tầng, theo dõi quản lý các biến động đất đai, theo dõi giám sát tài nguyên môi trường rất cần thiết phải có những giải pháp công nghệ mới cho phép

đo đạc, thu nhận dữ liệu không gian ngoài thực địa với thời gian nhanh chóng, độ chính xác cao và triển khai nhất quán trên một không gian rộng lớn

Để làm được điều này chúng ta cần nghiên cứu khai thác, ứng dụng những giải pháp công nghệ mới về GPS Đặc biệt, phải sử dụng một cách có hiệu quả và rộng rãi

kỹ thuật định vị GPS trong công tác trắc địa địa chính: xây dựng các mạng lưới địa chính, làm cơ sở cho việc phát triển lưới cấp thấp hơn, phục vụ công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính các tỷ lệ

Bằng phương pháp nghiên cứu ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu GPS đo đạc lưới địa chính, phục vụ phát triển lưới đường chuyền cấp thấp hơn để đo đạc thành lập bản đồ địa chính khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng Đặc biệt

là nghiên cứu các nguyên lý và kỹ thuật đo tĩnh của hệ thống định vị toàn cầu GPS

Nội dung đề tài thực hiện giải quyết các vấn đề sau:

 Định vị và đo các điểm GPS trên thực địa

 Xử lý số liệu đo bằng phần mềm GPSurvey 2.35 Bình sai tính toán và đánh giá độ chính xác của tọa độ và độ cao điểm lưới, trong hệ tọa độ VN2000 khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng

Kết quả các nội dung được thể hiện đầy đủ trong phần báo cáo thuyết minh tốt nghiệp

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ TRANG 1

PHẦN I TỔNG QUAN 3

I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu 3

I.1.1 Giới thiệu về công nghệ GPS và ứng dụng của nó 3

1 Vài nét về lịch sử hệ thống GPS và các lĩnh vực ứng dụng 3

2 Cấu trúc hệ thống GPS 4

3 Các cơ sở của kỹ thuật GPS 6

4 Các sai số và độ lệch GPS 12

5 Cách thức định vị GPS 16

I.1.2 Hệ qui chiếu và hệ tọa độ trong công nghệ GPS 19

1 Hệ qui chiếu trong công nghệ GPS 19

2 Hệ tọa độ WGS-84 19

3 Hệ tọa độ quốc gia VN-2000 19

4 Tính chuyển giữa các hệ tọa độ 20

I.1.3 Khái quát phần mềm GPSurvey 2.35 20

I.1.4 Khái quát về lưới khống chế trắc địa 21

I.2 Cơ sở pháp lý và văn bản pháp quy 22

I.2.1Cơ sở pháp lý 22

I.2.2 Văn bản pháp quy 23

I.3 Cơ sở thực tiễn 23

I.4 Khái quát địa bàn nghiên cứu 23

I.4.1 Điều kiện tự nhiên 23

1 Vị trí địa lý 23

2 Địa hình, địa mạo: 24

I.4.2 Điều kiện kinh tế xã hội trong khu đo 25

I.5 Nguồn tư liệu dùng để nghiên cứu 26

I.5.1 Tư liệu trắc địa 26

I.5.2 Tư liệu bản đồ 26

I.5.3 Tư liệu ảnh hàng không 27

I.6 Nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu 27

I.6.1 Nội dung nghiên cứu 27

I.6.2 Phương pháp nghiên cứu 27

I.6.3 Phương tiện nghiên cứu 28

1 Các thiết bị thu thập số liệu đo 28

2 Hệ thống xử lý kết quả và tính toán số liệu 29

I.7 Quy trình thực hiện đề tài nghiên cứu 30

PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31

II.1 Các luận chứng kinh tế kỹ thuật khi thành lập lưới địa chính: 31

II.2 Thiết kế xây dựng hệ thống lưới địa chính 34

II.2.1 Đánh số hiệu điểm 34

II.2.2 Khảo sát, Thiết kế, chọn điểm, chôn mốc lưới địa chính 34

II.2.3 Chọn điểm, đúc mốc, chôn mốc, vẽ ghi chú điểm, bàn giao mốc 34

1 Chọn điểm: 34

2 Đúc mốc chôn mốc, làm tường vây: 35

3 Vẽ ghi chú điểm và bàn giao mốc: 35

II.3 Đo GPS tại các điểm lưới địa chính 36

II.3.1 Lập lịch, thiết kế đồ hình lưới, bố trí ca đo 36

1 Lập lịch đo: 36

2 Thiết kế đồ hình lưới, bố trí ca đo 39

II.3.2 Trình tự đo GPS tại một điểm của lưới địa chính 41

II.4 Xử lý tính toán bình sai, đánh giá độ chính xác của lưới địa chính 42

II.4.1 Trút số liệu từ máy GPS sang máy vi tính 42

1 Chuẩn bị 42

2 Nối ráp phần cứng 42

3 Trút số liệu từ máy thu GPS 42

II.4.2 Xử lý cạnh và bình sai số liệu đo GPS 44

1 Xử lý cạnh 44

2 Bình sai lưới và biên tập thành quả theo quy định 51

II.4.3 Đánh giá độ chính xác lưới GPS 60

II.5 Thành quả tính toán bình sai lưới toạ độ địa chính 61

II.6 Kiểm tra, nghiệm thu, giao nộp thành quả 61

II.7 Đánh giá quy trình công nghệ GPS dùng đo lưới địa chính 62

II.7.1 Độ chính xác: 62

II.7.2 Đánh giá vị trí, mật độ các mốc: 63

II.7.3 Đánh giá phương pháp bình sai: 63

II.7.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật: 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

GPS Global Positioning System – hệ thống định vị toàn cầu

BTNMT Bộ Tài Nguyên & Môi Trường

GCNQSDĐ Giấy chứng nhận quyền sử dụng đất

BĐĐC Bản đồ địa chính

DOP Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác

GDOP Geometric Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác

RDOP Relative Dilution of Precision - hệ số suy giảm độ chính xác tâm

pha ăng ten

Ratio Tỉ số phương sai

Rms Sai số trung phương khoảng cách

Reference Variance Phương sai chuẩn

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

Danh sách các bảng:

Bảng II.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật 31

Bảng II.2 Tổ chức ca đo trong mạng lưới 40

Bảng II.3: Bảng thống kê các file có trong thư mục BS2000 58

Bảng II.4 Bảng thống kê tọa độ và độ cao các điểm sau bình sai 61

Danh sách các hình: Hình I.1 Vệ tinh GPS 3

Hình I.2 Mô phỏng quỹ đạo vệ tinh GPS 4

Hình I.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS 5

Hình I.4 Mạng lưới trạm điều khiển GPS (1994) 5

Hình I.5 Sơ đồ về cấu trúc tín hiệu vệ tinh 6

Hình I.6 Nguyên lý trị đo giả khoảng cách 8

Hình I.7 a) Sai phân bậc 1 máy thu; b) Sai phân bậc 1 vệ tinh 10

Hình I.8 Sai phân bậc 2 11

Hình I.9 Sai phân bậc 3 12

Hình I.10 Minh họa sai số khúc xạ đa đường dẫn 12

Hình I.11 Các tầng khí quyển ảnh hưởng trong quá trình đo GPS 12

Hình I.12 Các đồ hình vệ tinh 16

Hình I.13 Nguyên lý định vị tương đối 17

Hình I.14 Kỹ thuật đo tĩnh 17

Hình I.15 Kỹ thuật đo tĩnh nhanh 18

Hình I.16 Sơ đồ vị trí khu đo 24

Hình I.17 Máy thu Trimble 4800 29

Hình II.1Quy cách mốc, tường vây điểm địa chính 35

Hình II.2 Cửa sổ phần mềm Planning 35

Hình II.3 Lựa chọn Import file Almanac tùy từng loại máy thu 37

Hình II.4 Giao diện cửa sổ Station Editor 37

Hình II.5 Cửa sổ mô tả trạm máy bị che chắn 38

Hình II.6 Cửa sổ Multistation Analysis và cửa sổ Station Selection 38

Hình II.7 Sơ đồ thiết kế mạng lưới và di chuyển ca đo 40

Hình II.8 Nối ráp phần cứng 42

Hình II.9 Chạy tiện ích Trimble Data Transfer 42

Hình II.10 Cửa sổ Device 42

Hình II.11 Giao diện cửa sổ Data Transfer 42

Hình II.12 Chọn ổ đĩa lưu số liệu 42

Hình II.13 Các file số liệu cần chuyển vào máy tính 42

Hình II.14 Chuyển số liệu vào máy tính 42

Hình II.15 Hộp thoại Create a New Project 44

Hình II.16 Hộp thoại Load dữ liệu vào Project 45

Hình II.17 Hộp thoại kiểm tra khi Load dữ liệu 45

Hình II.18 Kiểm tra các giá trị có trong file 45

Hình II.19 Cho phép kiểm tra và thay đổi thông tin trạm máy 45

Hình II.20 Kiểm tra, sửa đổi chiều cao và cách đo ăng ten tại điểm 46

Hình II.21 Cửa sổ Load dữ liệu vào chương trình WAVE 46

Hình II.22 Kết quả tính sơ bộ tọa độ điểm gốc 47

Hình II.23 Fix điểm gốc trước khi giải cạnh 47

Hình II.24 Cửa sổ lựa chọn, thay đổi thông số giải cạnh 47

Hình II.25 Mô tả không sử dụng số liệu khí tượng 48

Hình II.26 Tiến trình giải cạnh 48

Hình II.27 Kết quả giải cạnh 48

Hình II.28 Bảng thể hiện các tín hiệu của vệ tinh 49

Hình II.29 Cắt bỏ tín hiệu vệ tinh xấu 49

Hình II.30 Sơ đồ lưới khu đo 50

Hình II.31 Cửa sổ xuất kết quả giải cạnh và sai số khép hình 50

Hình II.32 Hộp thoại Text File 51

Hình II.33 Màn hình hiển thị cửa sổ GPS NETWORK MODULE 51

Hình II.34 Màn hình chính của GPS NETWORK MODULE 52

Hình II.35 Thông báo trước khi thoát khỏi GPS NETWORK MODULE 52

Hình II.36 Màn hình chính NETWORK ADJUSTMENT MODULE 52

Hình II.37 Hộp thoại ADJUSTMENT MENU 53

Hình II.38 Cửa sổ dùng để FIX điểm gốc 53

Hình II.39 Hộp thoại VARIANCE COMPONENT STRATEGY 53

Hình II.40 Lựa chọn các thành phần trị đo (OBSERVATION CATEGORIES) 54

Hình II.41 Tạo các thành phần phương sai 54

Hình II.42 Phương sai chiều dài 54

Hình II.43 Lựa chọn thành phần trị đo 55

Hình II.44 Lựa chọn thay đổi trọng số 55

Hình II.45 Lựa chọn cách tính trọng số 55

Hình II.46 Thay đổi trọng số trạm 56

Hình II.47 Khái quát kết quả bình sai 56

Hình II.48 Màn hình chính TERRESTRIAL OBSERVATIONS MOSULE 57

Hình II.49 Màn hình chính GEOID MODULE 57

Hình II.50 Màn hình chính của ESTIMATE GEIOD HEIGHTS 57

Hình II.51 Màn hình cho phép Load dữ liệu vào Network Adjustment Module 59

Hình II.52 Thay đổi hệ tọa độ 59

Hình II.53 FIX tọa độ, độ cao điểm gốc theo tọa độ trắc địa 59

Hình II.54 Chọn điểm gốc để tính toán cho các điểm còn lại 60

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trắc địa là một khoa học phát triển từ rất lâu Trong quá trình phát triển, con người đã không ngừng ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để hoàn thiện các thiết bị đo đạc nhằm giảm bớt vất vả của công tác đo đạc và nâng cao độ chính xác của phép đo Đó là giai đoạn chuyển dần các thiết bị quang cơ sang thiết bị đo đạc điện tử Cũng trong thời gian này người ta đã ứng dụng khoa học vũ trụ vào lĩnh vực trắc địa

Hệ thống GPS đã được thiết lập Đó là một mạng lưới vệ tinh trong không gian bao quanh trái đất, cung cấp thông tin về vị trí và thời gian ở mọi nơi trên trái đất 24/24 giờ hàng ngày Sự phát triển của hệ thống GPS và công nghệ thông tin đã đổi mới công nghệ đo đạc và thành lập bản đồ sang giai đoạn mới: hiện đại hơn, chính xác hơn và có quy mô rộng lớn hơn

Ngày nay các thiết bị thu tín hiệu GPS phát triển ngày càng hoàn thiện cả về phần cứng lẫn phần mềm, cùng với sự phát triển kỹ thuật xử lý tín hiệu GPS đã đem lại kết quả chính xác với độ tin cậy cao và phạm vi ứng dụng ngày càng rộng

Các thiết bị thu tín hiệu GPS được chia làm 2 nhóm:

 Nhóm máy dùng cho các ứng dụng đo chính xác (GPS Suryying)

 Nhóm máy dùng cho các ứng dụng trong lĩnh vực kinh tế và thành lập bản

đồ từ trung bình đến nhỏ, xây dựng hệ thống thông tin địa lý (GPS Mapping)

Trong những năm đầu của thập kỷ 90, Ngành đo đạc và thành lập bản đồ nước

ta đã nghiên cứu và ứng dụng thành công Hệ thống định vị toàn cầu GPS Tuy nhiên, việc triển khai ứng dụng thiết bị GPS để thành lập bản đồ là một kỹ thuật mới Cần phải nghiên cứu, thử nghiệm trong những trường hợp cụ thể ở nước ta

Trước nhu cầu nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo định vị GPS trong nhà trường đối với sinh viên ngành công nghệ địa chính nói chung và việc tìm hiểu quy trình công nghệ GPS trong việc thành lập lưới khống chế trắc địa nói riêng; được sự phân công của Khoa Quản lý đất đai trường Đại học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh cùng với sự giúp đở tạo điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị của Xí Nghiệp Trắc Địa Bản

Đồ 305 thuộc Công ty Đo đạc Địa chính và Công trình, em xin thực hiện đề tài: ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU (GPS) THÀNH LẬP LƯỚI TỌA ĐỘ ĐỊA CHÍNH KHU VỰC THỊ TRẤN PHÚ LỘC, HUYỆN THẠNH TRỊ, TỈNH SÓC TRĂNG

 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu, ứng dụng và khai thác hiệu quả công nghệ định vị GPS để thành lập lưới tọa độ địa chính phục vụ đo vẽ Bản đồ Địa chính khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng

 Ứng dụng phần mềm GPSurvey 2.35 trong xử lý tính toán số liệu đo GPS

 Yêu cầu nghiên cứu

 Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đo tĩnh, định vị tương đối bằng công nghệ GPS phục vụ công tác đo đạc, thành lập lưới địa chính

 Tuân thủ quy trình, quy phạm của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

 Khai thác và sử dụng trang thiết bị, phần mềm mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm thời gian và tài chính

 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

 Phạm vi nghiên cứu: Khu vực thị trấn Phú Lộc, huyện Thạnh Trị, tỉnh Sóc Trăng

 Thời gian nghiên cứu: Từ ngày 10/03/2010 đến ngày 30/06/2010

 Đối tượng nghiên cứu: Đo GPS tương đối xác định toạ độ của các điểm khống chế địa chính

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Đề tài được thực hiện một cách có khoa học, đúng quy trình quy phạm và đáp ứng được thực tiễn của địa phương Phục vụ công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính một cách chính xác, thống nhất trên toàn khu đo

PHẦN I TỔNG QUAN

I.1 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

I.1.1 Giới thiệu về công nghệ GPS và ứng dụng của nó

1 Vài nét về lịch sử hệ thống GPS và các lĩnh vực ứng dụng

Hệ thống định vị toàn cầu GPS có tên đầy đủ là Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System (Navstar GPS) được bắt đầu triển khai từ những năm 1970 do quân đội Mỹ chủ trì Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định tọa độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên đất liền, phục vụ cho bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự

Vào đầu thập kỷ 80, hệ thống GPS đã chính thức cho phép sử dụng trong dân

sự Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước đã ra sức phát triển công nghệ GPS để đạt được những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này

Song song với hệ thống GPS của Mỹ, Liên Xô (cũ) cũng có hệ thống định vị toàn cầu GLONASS (Global Navigation Satellite System) được đưa vào sử dụng từ năm 1982 nhưng do nhiều điều kiện khách quan nên ít được phổ biến hơn

Năm 1973 hệ thống GPS được thiết kế, ngày 22 tháng 02 năm 1978 vệ tinh đầu tiên của hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa lên quỹ đạo Từ ngày 08 tháng 12 năm 1993, trên 6 quỹ đạo của hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh trong đó có 21 vệ tinh luôn luôn hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ

Hình I.1 Vệ tinh GPS

Ở nước ta đã đưa kỹ thật định vị toàn cầu GPS vào sử dụng một cách có hiệu quả trong công tác trắc địa địa chính từ đầu những năm 1990 Thực tế cho thấy ngành trắc địa nước ta đã làm chủ công nghệ này và đã giải quyết được nhiều nhiệm vụ quan trọng trong công tác đo đạc như: Đo lưới khống chế cấp 0, xây dựng mạng lưới nhà nước (hạng I, II, III, IV), xây dựng các mạng lưới địa chính cơ sở (tương đương hạng III, IV nhà nước) và lưới địa chính cấp 1, 2, đo vẽ bản đồ địa hình, địa chính, đưa lưới khống chế ra các đảo xa…

2 Cấu trúc hệ thống GPS

Hệ thống GPS gồm 3 thành phần chính cấu thành, được gọi là ba đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn sử dụng

a Đoạn không gian: bao gồm 24 vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo vòng quanh

Trái đất - cứ bốn vệ tinh quay trên mỗi quỹ đạo - cách mặt đất khoảng 20200 km và mỗi vòng bay hết 11 giờ 58 phút Các vệ tinh đã được phân bố sao cho tại bất cứ một nơi nào trên Trái đất và vào mỗi thời điểm có thể nhận tín hiệu ít nhất từ 4 vệ tinh

Mỗi vệ tinh truyền về Trái đất tín hiệu được mã hoá cùng với thông tin đạo hàng mà máy thu có thể đọc được, được điều biến trên hai tần số sóng tải

Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần số chuẩn cơ sở là f0 = 10,23 MHz Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử, với độ ổn định rất cao (10-12/ngày) Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần sóng tải L1 và L2:

L1 = 154f0 = 1575,42 MHZ, có bước sóng λ = 19,032cm

L2 = 120f0 = 1227,60 MHZ, có bước sóng λ = 24,420cm

Sóng tải và mã dùng để xác định khoảng cách từ máy thu tới vệ tinh Thông tin đạo hàng chứa các tham số quỹ đạo theo từng thời điểm và thường được gọi là lịch vệ tinh quảng bá

Hình I.2 Mô phỏng quỹ đạo vệ tinh GPS

Theo định luật Kepler về quỹ đạo chuyển động, mỗi quỹ đạo vệ tinh có hình dạng xấp xỉ hình elip với tâm trùng với tâm khối lượng của Trái đất Đối với quỹ đạo GPS, độ dẹt rất bé (0,02) nên dường như nó là hình tròn Bán kính lớn của elip này khoảng 26.600 km, gần gấp 4 lần bán kính Trái đất Mỗi mặt phẳng quỹ đạo tạo với mặt xích đạo một góc 550 Quỹ đạo vệ tinh được xác định bởi 6 tham số (mô tả độ lệch tâm, bán kính trục lớn, độ nghiêng mặt quỹ đạo ) được gọi là các tham số Kepler Biết các tham số này theo thời gian ta sẽ tính được toạ độ vệ tinh

Vệ tinh GPS phóng lên quỹ đạo được phân ra các khối (Block), lần lượt là khối

I, khối II, khối II-A, II-R rồi II-F Đến nay các vệ tinh hai khối đầu đã bị loại khỏi quỹ đạo Mỗi vệ tinh có kích thước chừng 5 m, trọng lượng 1 - 2 tấn, được trang bị 2 đồng

hồ nguyên tử loại rubidium và 2 đồng hồ nguyên tử loại celium Tuổi thọ vệ tinh là 7,5 năm

b Đoạn điều khiển: gồm Trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado

Springs, 5 trạm quan trắc tín hiệu từ vệ tinh, phân bố trải rộng trên toàn cầu và 3 trạm kiểm soát mặt đất Chức năng chính của Trạm điều khiển là tập hợp số liệu đo GPS từ các trạm quan trắc để xác định và dự báo toạ độ của vệ tinh và các tham số của đồng

hồ vệ tinh, tiếp theo gửi các thông tin này đến một trong ba trạm kiểm soát mặt đất

để từ đây gửi lên vệ tinh Nhiệm vụ của Trạm điều khiển còn là kiểm soát các vệ tinh

và hoạt động của toàn hệ thống

Mạng lưới trạm quan trắc có chức năng xác định toạ độ vệ tinh quảng bá và các tham số đồng hồ vệ tinh Các trạm kiểm soát duy trì liên lạc tới các vệ tinh thông qua ăng ten

c Đoạn sử dụng: gồm các sử dụng được trang bị máy thu tín hiệu GPS,

máy hoạt động để thu tín hiệu vệ tinh GPS phục vụ cho các mục đích khác nhau như dẫn đường trên biển, trên không trung, trên đất liền và phục vụ cho công tác đo đạc ở nhiều nơi trên thế giới

Hình I.3 Sơ đồ hoạt động của hệ thống GPS

Hình I.4 Mạng lưới trạm điều khiển GPS (1994)

3 Các cơ sở của kỹ thuật GPS

a Cấu trúc tín hiệu GPS:

Hoạt động của Trắc địa vệ tinh dựa trên các dữ liệu được truyền từ vệ tinh tới máy thu trên sóng điện từ Tất cả các vệ tinh GPS đều có thiết bị tạo dao động với tần

số chuẩn cơ sở là f0 = 10,23 MHz Tần số này còn là tần số chuẩn của đồng hồ nguyên

tử celium, với độ ổn định rất cao (10-12/ngày) Từ tần số cơ sở f0 thiết bị sẽ tạo ra hai tần sóng tải L1 và L2, được tạo ra bằng bội số nguyên tần số chuẩn, 154 đối với sóng L1 (tần số 1575,42 Mhz, bước sóng 19,0 cm) và 120 đối với sóng L2 (tần số 1227,60 Mhz, bước sóng 24,4 cm) Tạo nên sóng L2 để xác định độ trễ tín hiệu trong tầng điện ly Các thông tin về thời gian theo đồng hồ vệ tinh và các tham số quỹ đạo (thành phần toạ độ) vệ tinh được mã hoá dưới dạng các chuỗi (bit) nhị phân trên sóng tải thông qua quá trình điều biến

Hình I.5 Sơ đồ về cấu trúc tín hiệu vệ tinh

Có 3 loại mã trên sóng tải là mã C/A (C/A-Code), mã P (P-Code) và Thông tin đạo hàng

Hai mã C/A và P được sử dụng đều thuộc loại mã tựa ngẫu (PRN) nhị phân, gồm một chuỗi các giá trị 0 và 1 hoặc +1 và -1, trông như có tính ngẫu nhiên nhưng lại

dễ nhận dạng do được tạo nên bằng một thuật toán

Mã C/A thường được hiểu là mã thông dụng gồm dãy 1023 kí tự 0 và 1, được lặp lại sau mỗi phần triệu giây, tương đương chiều dài bước sóng 300 m Mã C/A chỉ được truyền có trên sóng tải L1

Mã P - mã chính xác là chuỗi rất dài kí tự 0 và 1, được lặp lại sau 38 tuần lễ, chiều dài bước sóng là 29,30 m Nó được truyền trên cả hai loại sóng tải Tuy nhiên, vì mục đích an ninh, cơ quan quản lý GPS là Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ đã sử dụng mã W

để che phủ lên P-Code tạo nên mã Y Chỉ có Quân đội Hoa Kỳ và đồng minh mới được tiếp cận mã P

Thông tin đạo hàng là chuỗi số liệu được bổ sung trên hai sóng tải L1

và L2 và điều biến lưỡng pha với tốc độ chậm 50 bit/giây và lặp lại sau 30 giây Thông tin đạo hàng chứa toạ độ vệ tinh theo thời gian, tình trạng sức khoẻ của vệ tinh, các trị hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, số liệu almanac của vệ tinh, số liệu khí tượng Mỗi vệ tinh truyền thông tin đạo hàng của riêng mình

cùng với các thông tin trên các vệ tinh khác như là toạ độ gần đúng, tình trạng sức khoẻ

b Các loại máy thu GPS: Có thể phân ra hai loại máy thu GPS: máy thu

một tần số và máy thu hai tần số Máy thu một tần số chỉ nhận được tín hiệu sóng tải L1 Máy thu 1 tần cũng có các cấu hình khác nhau và do đó chức năng cũng khác nhau, thông dụng hơn cả là loại máy thu 1 tần thu được cả code lẫn sóng tải Máy thu 2 tần nhận được tín hiệu trên cả sóng tải L1 và L2 Tuy mã P bị che phủ, nhưng máy thu hai tần hiện nay có thể khôi phục được đầy đủ sóng tải L2 ở mức độ yếu hơn Ăng ten cũng là một bộ phận không thể thiếu của thiết bị đo GPS Để giảm ảnh hưởng của sai số khúc xạ đa đường dẫn (multipath), cần lựa chọn loại ăng ten giảm thiểu được ảnh hưởng này, chẳng hạn như ăng ten Choke Ring, ăng ten có vành chống phản xạ

Máy thu tín hiệu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng Nhờ các tiến

bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử, viễn thông và kỹ thuật thông tin tín hiệu số các máy thu GPS đã ngày một hoàn hảo Ngành chế tạo máy thu GPS là ngành “kỹ thuật cao” Các máy thu hiện nay có thể làm việc được với đầy đủ các bước sóng tải L1, L2; với khoảng cách giả C/A-Code và cả khoảng cách thật P(Y)-Code, một số hãng chế tạo còn cho các máy thu có thể đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh GPS và cả vệ tinh GLONASS Hiện đã có nhiều loại máy thu có khả năng đo ở chế độ thời gian thực (Real time) Dạng máy thu phổ biến hiện nay là dạng máy thu đa kênh (Multichannel) máy thu GPS có thể có số lượng kênh khác nhau, từ 1 đến 12 kênh Ở loại máy thu này, mỗi kênh sẽ theo dõi và thu tín hiệu từ một vệ tinh Hiện nay, các máy thu chủ yếu có từ 9 đến 12 kênh

Trên thế giới đã có nhiều hãng chế tạo máy thu tín hiệu GPS như hãng Trimble Navigation, Ashtech (Mỹ), Minimax (CHLB Đức), Sersel (Pháp), Leica (Thụy sĩ), Sokkia (Nhật Bản)… Tùy vào mục đích sử dụng và yêu cầu độ chính xác người ta đã chế tạo ra nhiều loại máy thu GPS khác Có loại chuyên để trang bị lắp trên tàu biển, trên máy bay hoặc trên các loại phương tiện chuyển động khác Có loại chế tạo gọn nhẹ (cầm tay), chuyên dùng để xác định gần đúng vị trí điểm, và cũng có loại chuyên phục vụ cho nghành trắc địa

Cùng với các loại máy thu, người ta còn sản xuất các phần mềm phục vụ xử lý thông tin mà máy thu đã nhận được từ vệ tinh Công việc xử lý thông tin nhằm giải quyết bài toán trắc địa một cách nhanh chóng và chính xác Chúng ta đã biết một số phần mềm của hãng Trimble như: Trimvec, Trimnet plus GPSurvey, Trimble Geomatics Office….các phần mềm này cũng ngày được hoàn thiện, về mặt hình thức

và độ chính xác của kết quả tính toán

c Các hệ thời gian:

Thời gian đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu, là tham số cơ bản để tính khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Thời gian trong GPS được kiểm soát bằng đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh

Hệ giờ thế giới UT (Universal Time) liên quan tới chuyển động quay của Trái đất quanh trục của nó mà dạng cơ bản là giờ UT1 (về giá trị bằng GMT)

Hệ giờ động lực Trái đất TDT (Terestrial Dynamic Time) dùng để tính quỹ đạo vệ tinh bay quanh Trái đất trong trường trọng lực của Trái đất

Hệ giờ nguyên tử quốc tế IAT (International Atomic Time) được hình thành trên

cơ sở tích hợp thời gian nguyên tử của nhiều trung tâm trên thế giới và là hệ thời gian

cơ bản trên Trái đất, đơn vị cơ bản của IAT là SI giây Vì IAT là thang thời gian liên tục nên xảy ra một vấn đề cơ bản cho người sử dụng, liên quan tới hiện tượng quay chậm dần 1 giây/1 năm của Trái đất xung quanh Mặt trời Khó khăn này được giải quyết nhờ đưa vào hệ thời gian phối hợp quốc tế UTC (Universal Time Coordinated), có cùng vận tốc như IAT nhưng được hiệu chỉnh tăng thêm cái gọi là bước nhảy 1 giây

Các tín hiệu thời gian được truyền từ các vệ tinh GPS được đồng bộ với thời gian của các đồng hồ nguyên tử đặt tại Trung tâm điều khiển; các đồng hồ nguyên tử này lại được đồng bộ với UTC

Hệ thời gian GPS (GPST) đã được liên kết với UTC vào 0h ngày 6/1/1980 và từ đó không được hiệu chỉnh thêm bước nhảy 1 giây, nên giữa GPST và UTC tồn tại độ lệch thời gian Tuy nhiên, độ lệch này được cung cấp cho người sử dụng trong thông điệp đạo hàng Ngoài ra tồn tại quan hệ: GPST + 19 giây = IAT

d Trị đo giả khoảng cách: giả khoảng cách là số đo khoảng cách từ vệ tinh

GPS tới ăng ten máy thu, nó cần thiết để định vị điểm Khoảng cách giả có thể được

đo bằng mã hay bằng pha

Giả thiết rằng đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều tuyệt đối chính xác và đồng

bộ hoàn hảo với nhau Ta biết rằng mã tín hiệu PRN được truyền từ vệ tinh, máy thu nhận được và tạo nên bản sao của nó trong máy thu Như vậy, khi mã PRN được phát ra tới khi có được bản sao trong máy thu cần một khoảng thời gian, được gọi là thời gian lan truyền tín hiệu trong không gian Bằng cách so sánh mã truyền tới và bản sao của nó, máy thu sẽ xác định được thời gian lan truyền này Ta đã biết tốc độ lan truyền bằng tốc

độ ánh sáng, như vậy để tính giả khoảng cách ta chỉ việc nhân vận tốc ánh sáng với thời gian lan truyền

Tuy nhiên trong thực tế, lại phức tạp hơn nhiều vì bản thân đồng hồ vệ tinh chưa thật chính xác và đồng hồ máy thu lại còn kém hơn, sự đồng bộ giữa chúng cũng chưa hoàn hảo, nên trị đo giả khoảng cách này chứa các sai số và độ lệch nói trên Đấy là lý

do mà ta gọi là giả khoảng cách mà không gọi là khoảng cách

Hình I.6 Nguyên lý trị đo giả khoảng cách

Khoảng cách giả theo mã tại thời điểm t được mô hình hoá như sau:

) ( )

( )

i

j i



 là độ lệch đồng hồ

Ta ký hiệu toạ độ của vệ tinh j và của máy thu i tại thời điểm t tương ứng là

)) ( ),

(

),

(

(X j t Y j t Z j t và (X i(t),Y i(t),Z i(t)), có thể biểu diễn khoảng cách hình học vệ

tinh đến máy thu như sau:

2 2

2 ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ))

( ) ( ( )

i

j i

j j

Về sai số đồng hồ vệ tinh j:  j, ta nhận được các trị hiệu chỉnh đồng hồ theo

thời gian t trong Thông điệp đạo hàng quảng bá dưới dạng các tham số a0,a1,a2 của đa

thức bậc hai sau ứng với thời gian quy chiếu t0:

2 0 2 0 1

0 ( ) ( ) )

Liên hệ (3.2) và (3.4), ta thấy, trong phương trình (3.5) chỉ còn lại 4 ẩn số, là 3

ẩn số toạ độ điểm đo và ẩn số đồng hồ máy thu Như vậy khi nhận tín hiệu đồng thời từ

4 vệ tinh, ta sẽ tính được các ẩn và do đó xác định được toạ độ điểm máy thu

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

thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền sóng tín hiệu chỉ có thể đảm bảo

độ chính xác đo khoảng cách tương ứng cỡ 30 m Nếu tính đến ảnh hưởng của điều

kiện môi trường lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A - Code sẽ ở mức

100 m là mức có thể chấp nhận để cho khách hàng dân sự khai thác Song kỹ thuật

xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức có thể đảm bảo độ chính xác đo

khoảng cách tới cỡ 3 m tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P

- code chỉ để dùng với mục đích quân sự Chính vì lí do này Mĩ đã phải đưa ra giải

pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A-Code Đây là hệ thống làm nhiễu

(Selective Availability) dựa trên cơ sở tạo ra nhiều biến thiên trong tần số cơ sở của

đồng hồ vệ tinh Khi bị làm nhiễu bởi SA toạ độ vệ tinh có độ chính xác cỡ từ 2 - 50

m, tọa độ mặt bằng đạt cỡ 100 m (với mức SA cỡ 95%) Nhưng từ ngày 20-05-2000

Mỹ đã bỏ chế độ nhiễu SA

e Trị đo pha sóng tải: Trị đo pha là hiệu số giữa pha sóng tải nhận từ vệ

tinh qua ăng ten máy thu và pha sóng tạo ra trong máy thu nhờ bộ tạo dao động

Có thể đo được khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu bằng pha sóng tải Khoảng

cách này sẽ bằng tích của hai thừa số, một là độ dài bước sóng tải và thừa số thứ hai là

pha (gồm số bước sóng (chu kỳ đầy đủ) dao động sóng tải cộng với phần lẻ chu kỳ đo

được giữa máy thu và vệ tinh) Độ chính xác đo khoảng cách này cao hơn nhiều so với

đo theo Code, bởi vì độ dài bước sóng tải - cũng có thể hiểu là độ phân giải - chỉ là 19

cm trong L1, nhỏ hơn nhiều so với độ dài code

Trị đo giả khoảng cách theo pha được biểu diễn bằng mô hình toán sau:

) ( )

(

1 )

i j j i

j i

N - số nguyên lần bước sóng, hay số nguyên đa trị

j

f là tần số tín hiệu vệ tinh j

Thay (3.3) vào (3.6) ta có:

) ( )

( )

(

1 )

i

j i

j



f Các tổ hợp tuyến tính của trị đo: Các trị đo GPS chứa hàng loạt sai số

mà việc mô hình hoá chúng để giảm thiểu hay loại bỏ trong quá trình xử lý, dù rất cố

gắng, vẫn mới chỉ đạt ở mức độ xấp xỉ gần đúng Các sai số không được đưa vào mô

hình cũng như các độ lệch do mô hình hoá chưa hoàn thiện đương nhiên giới hạn độ

chính xác định vị bằng một máy thu Nhưng khi ta đo đồng thời từ hai đến nhiều

máy thu đặt không xa nhau, do những máy thu này cùng chia sẻ những sai số tương tự

nhau về chủng loại cũng như độ lệch, nên một phần lớn sai số này sẽ bị loại khi ta tạo ra

các tổ hợp tuyến tính của các trị đo GPS

 Sai phân bậc 1:

Các trị đo của hai máy thu GPS quan trắc đồng thời một vệ tinh sẽ chứa những sai

số liên quan tới vệ tinh và các sai số liên quan khí quyển tương tự nhau Khi khoảng

cách giữa hai máy thu càng nhỏ thì sự tương đồng càng lớn Do đó, khi ta tính hiệu

(sai phân) các trị đo tại hai máy thu đồng thời, thì nhóm sai số liên quan vệ tinh và

nhóm sai số liên quan khí quyển trong các sai phân này sẽ được giảm nhỏ Sai phân này

được gọi là sai phân bậc 1 máy thu (hay trạm đo) Sai số đồng hồ vệ tinh được loại bỏ

một cách hiệu quả trong sai phân này

Hình I.7 a) Sai phân bậc 1 máy thu; b) Sai phân bậc 1 vệ tinh

Giả sử 2 máy thu A, B cùng quan sát một vệ tinh j, theo phương trình pha sóng tải (3.7) ta có:

) ( )

( )

(

1 )

A

j A

( )

( 1 )

B

j B

( )

(

1 ) (

1 ) ( )

B j j A

j B

j A

j B

j A

j

) ( ) ( )

A

j B

j

) ( ) ( )

N N N

A B

AB

j A

j B

j AB

số đồng hồ cả máy thu lẫn vệ tinh và giảm thiểu đáng kể các loại sai số khác

AB k

j AB k

Hình I.9 Sai phân bậc 3

Ứng với hai thời điểm t1và t2, ta có phương trình hai sai phân bậc hai tương ứng:

k j AB k

j AB k

j

1

, 1

, ( )  1  ( ) 





k j AB k

j AB k

j

2

, 2

Phương trình sai phân bậc 3: ( ) 1 , (12)

12 , t j k t

AB k

đo cổng rộng (Wide-land) với bước sóng dài 86 cm và trị đo cổng hẹp (Narow-land)

có chiều dài bước sóng 11 cm, rất có ích cho việc giải tìm số nguyên đa trị

4 Các sai số và độ lệch GPS

a Sai số tọa độ vệ tinh

Như ta được biết, đoạn điều khiển mặt đất có nhiệm vụ thu tín hiệu từ các vệ tinh, xử lý và dự báo toạ độ của vệ tinh theo thời gian rồi gửi lên các vệ tinh, để rồi vệ tinh lại gửi toạ độ vệ tinh theo thời gian này xuống máy thu trong gói Thông tin đạo hàng thông dụng (broadcast satellite navigation message) Trong thực tế, số liệu đo GPS trong vòng 4 giờ một tại các trạm theo dõi mặt đất của đoạn điều khiển được sử dụng để dự báo toạ độ vệ tinh cho từng giờ theo mô hình toán mô tả quỹ đạo của vệ tinh Do các mô hình quỹ đạo này không thật chính xác như thực tế, nên toạ độ vệ tinh

dự báo trước chứa sai số, gọi là sai số quỹ đạo Sai số quỹ đạo thông thường đạt danh nghĩa trong khoảng 2 - 5m và khi chịu ảnh hưởng của kỹ thuật S/A đạt chừng 50 m

Sai số quỹ đạo của một vệ tinh sẽ giống nhau cho tất cả các trạm đo trên toàn cầu Song, các trạm đo khác nhau lại nhìn tới vệ tinh dưới những góc khác nhau, nên

ảnh hưởng của sai số quỹ đạo vệ tinh đối với trị đo cạnh và do đó đến định vị điểm cũng khác nhau Có nghĩa là việc tính sai phân bậc 1 máy thu nhìn chung không thể loại bỏ hoàn toàn sai số quỹ đạo vệ tinh, trừ trường hợp hai máy thu đặt gần nhau (cạnh ngắn) Trong định vị tương đối, đã xác định được mối quan hệ giữa sai số đo cạnh và sai số quỹ đạo vệ tinh như sau:

Sai số đo cạnh / chiều dài cạnh = sai số quỹ đạo vệ tinh / khoảng cách tới vệ tinh

Có nghĩa là, khi sai số quỹ đạo là 5 m và chiều dài cạnh đo là 10 km thì sai số đo cạnh

do sai số quỹ đạo gây nên sẽ là 2,5 mm

b Sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu

Cứ mỗi khối (Block) vệ tinh thế hệ II và IIA được trang bị 4 đồng hồ nguyên tử gồm 2 đồng hồ cesium và hai đồng hồ rubidium Các khối vệ tinh sau IIR chỉ mang đồng hồ rubidium Các đồng hồ này để tạo tần số và thời gian

Các đồng hồ vệ tinh rất chính xác nhưng vẫn chưa hoàn hảo tuyệt đối Độ ổn định của nó đạt khoảng (1 - 2).10-13 trong vòng 1 ngày Nghĩa là, sai số đồng hồ vệ tinh khoảng 8,64 - 17,28 nano giây/ngày, gây nên sai số đo cạnh từ 2,59 m đến 5,18 m Các trạm kiểm soát mặt đất theo dõi hoạt động của đồng hồ vệ tinh, tính độ lệch và cấp lên vệ tinh để gửi lại về máy thu trong Thông điệp đạo hàng dưới dạng các hệ số của

đa thức bậc hai

Các sai số đồng hồ vệ tinh dĩ nhiên gây nên sai số trong trị đo GPS Tuy nhiên sai số này chung cho tất cả các máy thu cùng quan trắc tới một vệ tinh và do đó có thể loại bỏ nó trong sai phân bậc 1 máy thu Ngoài ra, khi sử dụng các trị hiệu chỉnh đồng

hồ vệ tinh chứa trong Thông điệp đạo hàng, ta cũng giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai

số này trong định vị xuống còn vài nano giây, gây nên sai số đo cạnh vài mét

Ngược lại, đồng hồ máy thu chỉ là loại đồng hồ thạch anh rẻ tiền, có độ chính xác kém xa đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên ta có thể loại bỏ sai số đồng hồ máy thu bằng sai phân bậc 1 vệ tinh hoặc bằng cách coi nó là ẩn số bổ sung trong quá trình xử lý

c Sai số khúc xạ đa đường dẫn

Sai số khúc xạ đa đường dẫn là nguồn sai số đáng quan tâm đối với cả trị đo pha sóng tải lẫn trị đo giả khoảng cách Nguyên nhân do sóng tín hiệu từ vệ tinh đến ăng ten máy thu bằng nhiều đường khác nhau: trực tiếp từ vệ tinh và từ các vật cản chung quanh điểm đo phản xạ tới

Hình I.10 Minh họa sai số khúc xạ đa đường dẫn

Sai số đa đường dẫn làm biến dạng tín hiệu gốc do giao thoa với tín hiệu phản

xạ tại ăng ten máy thu Nó ảnh hưởng tới trị đo giả khoảng cách lớn hơn so với trị đo pha sóng tải Đối với trị đo sóng tải, sai số này đạt tối đa là 1/4 chu kỳ bước sóng (khoảng 4,8 cm đối với sóng L1), còn đối với trị đo giả khoảng cách sai số cực đại lên tới mấy chục mét đối với mã thông dụng C/A Ảnh hưởng này không như nhau tại mỗi điểm đo và thông thường nó không có tính tương quan giữa các điểm đo Cho nên nó không bị loại bỏ hay giảm thiểu thông qua việc sử dụng các sai phân như các loại sai

số kể trên; nó cũng rất khó mô hình hoá Tuy nhiên có thể giảm sai số này thông qua các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng ăng ten (công nghệ Choke ring hay giải pháp lắp thêm vành chống nhiễu xạ) và nâng cao chất lượng máy thu Thiết thực nhất đối người sử dụng là thông qua việc chọn điểm đo có độ thông thoáng tốt ngoài thực địa với góc ngưỡng cao thích hợp (thông thường dưới 15°) Trong quá trình xử lý số liệu đo, phải tiếp tục giảm thiểu ảnh hưởng này

d Sai số tâm pha ăng ten

Như đã biết, ăng ten nhận tín hiệu GPS từ vệ tinh đến và chuyển đổi năng lượng thành dòng điện để chuyển vào máy thu Điểm mà tín hiệu GPS được tiếp nhận gọi là tâm pha ăng ten Nhìn chung, tâm pha ăng ten không trùng với tâm vật lý (hình học) của ăng ten Đối với mỗi điểm đo, độ lệch này thay đổi tuỳ thuộc góc ngưỡng nhận tín hiệu, phương vị của vệ tinh phát tín hiệu xuống cũng như cường độ của tín hiệu Mức

độ sai số này tuỳ thuộc vào loại ăng ten Cũng giống như đối với sai số khúc xạ đa đường dẫn, ta rất khó mô hình hoá sự thay đổi tâm pha ăng ten và do đó không thể loại

bỏ trong quá trình xử lý số liệu đo

Tuy nhiên, ta có thể giảm ảnh hưởng của sai số này bằng nhiều cách, chẳng hạn lựa chọn loại ăng ten được đánh giá là có sai số tâm pha bé, sử dụng ăng ten cùng loại

và định hướng chúng giống nhau (chẳng hạn cùng về hướng bắc như vẫn làm) khi tiến hành đo GPS trên các cạnh ngắn Đã có những công bố kết quả khảo sát sai số tâm pha ăng ten cho từng loại và có thể cập nhật chúng vào phần mềm để hiệu chỉnh ảnh hưởng này một cách triệt để Tuy nhiên ảnh hưởng của sai số này tới định vị không lớn nên thường được bỏ qua trong các ứng dụng thông thường

e Độ trễ tầng điện li, tầng đối lưu

Được phát từ độ cao hơn 20.200 km xuống máy thu đặt trên Trái đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu Ảnh hưởng của tầng điện ly

và tầng đối lưu gây nên cái gọi là độ trễ (tầng điện ly hay tầng đối lưu) Cả hai đều gây nên sai số hệ thống

Hình I.11 Các tầng khí quyển ảnh hưởng trong quá trình đo GPS

Các điện tử tự do trong tầng ion gây nên độ trễ nhóm phụ thuộc vào tần số tín hiệu vệ tinh; độ trễ này là nguồn sai số tiềm năng trong trị đo theo thời gian Mặt khác, tốc độ lan truyền tín hiệu tăng tỷ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu,

và tỷ lệ thuận với mật độ điện tử trong tầng điện ly Độ trễ trong L2 nhỏ hơn nhiều so với độ trễ trong L1

Các phân tích về ảnh hưởng của tầng điện ly đã cung cấp một số lựa chọn sau:

 Việc bỏ qua ảnh hưởng sai số do độ trễ điện ly sẽ làm cho việc khắc phục trượt chu kỳ khó khăn và do đó việc tìm lời giải cho tham số số nguyên đa trị khó khăn hơn đối với chiều dài cạnh đo lớn;

 Tiến hành đo vào ban đêm là lúc ảnh hưởng này tối thiểu;

 Sử dụng mô hình dự báo độ trễ tầng điện ly trong thông điệp đạo hàng quảng bá sẽ làm tăng gần 50% độ chính xác định vị;

 Sử dụng máy đo hai tần số sẽ cho phép tạo nên lời giải loại bỏ được ảnh hưởng điện ly;

 Tạo nên các sai phân số liệu đo tại các điểm sẽ giảm nhỏ được ảnh hưởng của sai số độ trễ điện ly khoảng 1 – 2 mm do sự tương quan giữa chúng trên chiều dài cạnh ngắn và trung bình

Ngày nay, bên cạnh việc hoàn thiện máy thu và ăng ten, người ta đặc biệt quan tâm tới việc tính hiệu chỉnh ảnh hưởng của độ trễ ion không chỉ trong số liệu đo bằng máy thu một tần mà cả đối với máy thu hai tần

Ngay phía dưới tầng điện ly là tầng đối lưu Ảnh hưởng của tầng đối lưu (nằm cách mặt đất từ 0 – 70 km) - mà cụ thể là sự thay đổi nhiệt độ, áp suất và

độ ẩm không khí - gây nên sự thay đổi vận tốc truyền sóng tín hiệu radio khiến

cả mã (code) lẫn pha sóng tải đều chịu cùng một độ trễ Độ trễ này phụ thuộc vào góc ngưỡng của vệ tinh, nó cực tiểu (cỡ 2,3 m) khi vệ tinh ở thiên đỉnh, đạt 9,3 m khi vệ tinh ở góc ngưỡng 150 và 20 - 28 m ở góc ngưỡng cao 50

Ảnh hưởng của độ trễ tầng đối lưu đã được mô hình hoá bằng các biểu thức toán học, trong các phần mềm chuyên dụng, giúp tính được trị hiệu chỉnh thích hợp trong quá trình xử lý nhằm làm giảm thiểu ảnh hưởng này

f Độ suy giảm độ chính xác do đồ hình vệ tinh

Độ chính xác kết quả đo GPS còn phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm đo trên mặt đất, đặc trưng bởi hệ số suy giảm độ chính xác (viết tắt theo tiếng Anh là DOP) DOP là tỷ số giữa sai số vị trí điểm đo và sai số trị đo DOP càng nhỏ thì vị trí điểm đo được xác định càng chính xác; DOP thông thường lớn hơn 1, trừ phi có trị đo dư thừa hay nhận được tín hiệu từ trên 8 vệ tinh; DOP có thể được sử dụng như là cơ sở để lập kế hoạch đo; khi DOP < 4 là tốt; DOP > 10 thì lời giải sẽ thiếu tin cậy Người ta phân ra:

GDOP - hệ số suy giảm độ chính xác hình học, là hệ số tổng hợp nhất

PDOP - hệ số suy giảm độ chính xác vị trí điểm,

HDOP - hệ số suy giảm độ chính xác mặt bằng,

VDOP - hệ số suy giảm độ chính xác độ cao,

TDOP - hệ số suy giảm độ chính xác thời gian

Khi các vệ tinh vừa ở thiên đỉnh vừa ở gần chân trời sẽ cho GDOP tốt

Hình I.12 Các đồ hình vệ tinh

Ngoài ra độ chính xác điểm đo GPS còn phụ thuộc vào độ dài ca đo, số lượng trị

đo dư và chất lượng xử lý (phần mềm sử dụng và cách thức xử lý số liệu đo)

5 Cách thức định vị GPS

a Định vị tuyệt đối bằng GPS: (hay còn gọi là định vị điểm) sử dụng chỉ

một máy thu GPS đo giả khoảng cách bằng mã tới ít nhất 4 vệ tinh rồi tính toạ độ vị trí điểm tức thời Độ chính xác định vị mặt bằng ước đạt 22 m trong điều kiện hiện tại

Máy thu nhận được toạ độ vệ tinh j(xj , yj, zj) trong thông điệp đạo hàng quảng

bá truyền trực tiếp từ vệ tinh, còn khoảng cách ρi từ máy thu tới vệ tinh được xác định hoặc bằng mã thông dụng C/A (máy thu dân sự) hoặc mã P(Y) (máy thu quân sự Mỹ

và Đồng minh) Ta cũng đã biết, trị đo giả khoảng cách ρ từ máy thu tới vệ tinh chứa đựng sai số đồng hồ vệ tinh, sai số đồng hồ máy thu và sự không đồng bộ giữa hai đồng hồ Đối với sai số đồng hồ vệ tinh, ta có thể hiệu chỉnh nhờ các tham số hiệu chỉnh đồng hồ được cấp trong Thông điệp đạo hàng, nên ảnh hưởng của nó được giảm nhỏ Để hiệu chỉnh sai số đồng hồ máy thu, ta bổ sung vào mô hình tính toán các

ẩn số là ảnh hưởng của sai số này Cho nên, ngoài ba ẩn số là ba thành phần toạ độ của điểm đo là (xu, yu, zu), thêm ẩn thứ tư là độ lệch đồng hồ bu Điều này giải thích tại sao ta cần nhìn đồng thời tới ít nhất 4 vệ tinh

b Định vị tương đối bằng GPS:

Định vị tương đối sử dụng hai máy thu đồng thời cùng quan trắc một số vệ tinh

để xác định hiệu toạ độ giữa hai điểm và do đó tính được toạ độ điểm này so với điểm khác đã biết toạ độ chính xác

Định vị tương đối cũng đòi hỏi máy thu nhận tín hiệu đồng thời từ ít nhất 4 vệ tinh, tuy nhiên, số lượng vệ tinh càng nhiều, độ chính xác định vị càng được nâng cao hơn Định vị tương đối có thể sử dụng trị đo pha sóng tải (thông dụng) và trị

đo giả khoảng cách bằng mã hay kết hợp cả hai

Hình I.13 Nguyên lý định vị tương đối

Độ chính xác định vị tương đối có thể đạt tới bậc mm khi sử dụng trị đo pha sóng tải hay vài mét trong trường hợp dùng trị đo mã Nguyên do là khi đo đồng thời hai hoặc nhiều hơn máy thu, do các trị đo cùng chứa các sai số nhìn chung tương tự nhau (khoảng cách giữa các máy thu càng ngắn thì sự tương đồng càng lớn), nên các sai

số được giảm thiểu trong các trị gia số toạ độ

Trong định vị tương đối, chúng ta sử dụng hai kỹ thuật đo cơ bản là đo GPS tĩnh và đo GPS động, mỗi kỹ thuật lại được dùng theo các kiểu khác nhau

 Kỹ thuật đo GPS tĩnh

Đo GPS tĩnh là kỹ thuật định vị tương đối cơ bản sử dụng trị đo pha sóng tải

Nó sử dụng đồng thời hai hoặc nhiều hơn máy thu đặt cố định trên các điểm đo và cùng đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh trong một khoảng thời gian dài, tối thiểu là vài chục phút, tối đa là nhiều ngày đêm liên tục

Các trạm đo đồng thời này tạo nên các ca đo (session) Thời gian kéo dài cho mỗi ca

đo gọi là độ dài hoặc thời lượng ca đo Ký hiệu số lượng máy thu sử dụng đồng thời là

n, cứ mỗi ca đo, ta sẽ nhận được n-1 cạnh đo độc lập Thời lượng ca đo phụ thuộc và khoảng cách giữa các máy thu, số lượng vệ tinh nhìn thấy cũng như đồ hình vệ tinh

Đo GPS tĩnh bằng pha sóng tải là phương pháp định vị chính xác nhất mà nguyên nhân chính là sự thay đổi đáng kể của đồ hình vệ tinh trong khoảng thời gian dài

Hình I.14 Kỹ thuật đo tĩnh

Ta có thể sử dụng máy thu 1 tần và máy thu 2 tần trong đo GPS tĩnh Tuy nhiên,

để đảm bảo độ chính xác cần thiết, máy thu 2 tần thường được sử dụng để đo cạnh từ

20 km trở lên Độ chính xác đối với các máy thu trắc địa là 5 mm + 1ppm (1ppm là một phần triệu độ dài cạnh), suy ra sai số đo cạnh dài 10 km là 15 mm

 Kỹ thuật đo GPS tĩnh nhanh

Đo GPS tĩnh nhanh cũng là kỹ thuật đo pha sóng tải tương đối tương tự như đo tĩnh, nghĩa là cũng sử dụng hai hay nhiều hơn máy thu đồng thời thu tín hiệu của cùng các

vệ tinh, chỉ khác biệt ở chỗ, một máy - máy chủ (base) đặt tại điểm gốc hay điểm quy chiếu mà đã biết toạ độ chính xác sẽ cố định trong suốt ca đo, trong khi máy hoặc các máy chạy (rover) khác chỉ dừng lại trên mỗi điểm chưa biết toạ độ trong thời gian ngắn rồi di động sang điểm đo khác

Phương pháp đo này thích hợp cho các đo đạc chi tiết lập bản đồ mà cần đo nhiều điểm chi tiết trong cùng một vùng không rộng (cách điểm gốc từ 15 km trở lại)

và có điều kiện đo đủ thông thoáng

Hình I.15 Kỹ thuật đo tĩnh nhanh

Quá trình đo bắt đầu bằng việc đặt máy chủ trên điểm gốc và đặt máy chạy trên một điểm đo cần xác định toạ độ Máy chủ sẽ nằm cố định tại điểm gốc và liên tục thu tín hiệu vệ tinh Máy chạy thu số liệu trên mỗi điểm chừng 5 - 20 phút, tuỳ thuộc vào khoảng cách tới điểm gốc và đồ hình vệ tinh Sau khi máy chạy thu xong tín hiệu theo thời lượng đã chọn, máy chạy được chuyển đặt trên điểm đo tiếp theo và lặp lại bước đo trên Cứ tiếp tục như vậy,cho tới khi thu tín hiệu xong tại điểm chạy cuối cùng thì kết thúc ca đo

Độ chính xác đo cạnh bằng đo tĩnh nhanh đạt trung bình 1 cm + 1ppm

 Kỹ thuật đo GPS động

Đo GPS động cũng thuộc định vị tương đối bằng pha sóng tải sử dụng hai hay nhiều máy thu Trong phương pháp đo này, tương tự như đo tĩnh nhanh, máy chủ được đặt trên điểm gốc, còn máy chạy sẽ được di chuyển và lần lượt đặt trên các điểm

đo, sẽ xác định được tọa độ tức thì của nó Yêu cầu cơ bản của phương pháp này là trong suốt ca đo cả máy chủ và máy chạy đều thu nhận được tín hiệu từ tối thiểu 4 vệ tinh giống nhau Yêu cầu thứ hai là một vị trí (tốt nhất là điểm khởi đầu) của máy chạy

đã biết toạ độ Điều này đòi hỏi ta phải tiến hành bước khởi đo để xác định véc tơ khởi

đầu Cách thực hiện đo khởi đầu thông thường là đặt máy di động trên điểm gốc thứ hai đã biết toạ độ

Phương pháp đo động đạt năng suất đo đạc rất cao mà vẫn đảm bảo độ chính xác Tuy nhiên, để bảo đảm các máy đo liên tục thu được tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh giống nhau, vùng đo phải có địa hình quang đãng, ít vật che chắn tín hiệu

Có hai dạng đo GPS động thường dùng là dừng và đi (Stop and Go) và đo liên tục (Continuous)

I.1.2 Hệ qui chiếu và hệ tọa độ trong công nghệ GPS

1 Hệ qui chiếu trong công nghệ GPS

 Hệ quy chiếu địa tâm là hệ quy chiếu trắc địa mà tâm của nó trùng với tâm vật lý Trái đất Một hệ quy chiếu địa tâm được xác định rõ rệt bởi 8 tham số: 2 tham số định nghĩa kích thước của ellipsoid (ê-líp-xô-ít), 3 tham số định nghĩa tâm ellipsoid và 3 tham số định hướng cho ba trục so với Trái đất

 Hệ quy chiếu độ cao: là mặt quy chiếu độ cao của các điểm thường được chọn là mặt Geoid, là mặt xấp xỉ tốt nhất độ cao mặt nước biển trung bình trên quy mô toàn cầu

 Trong công nghệ GPS ta kết hợp cả hai hệ quy chiếu này thành hệ quy chiếu 3 chiều

 Các điểm tọa độ quy chiếu: 12 điểm

 Mô hình trường trọng lực trái đất EGM-96: Chuỗi điều hòa cấu tới bậc: n = m

= 360 với 130.676 hệ số

 Mô hình Geoid EGM-96: Mô hình với lưới 15’x15’; độ chính xác độ cao Goeid tại nút lưới là 0,5 – 1,0 m

3 Hệ tọa độ quốc gia VN-2000

 Hệ quy chiếu tọa độ và độ cao VN-2000 được bắt đầu thành lập từ năm 1994 và được công bố kết quả vào năm 2000

 Hệ VN-2000 có các tham số chính sau đây:

 Ê-líp-xô-ít quy chiếu quốc gia là ê-líp-xô-ít WGS-84 toàn cầu với kích thước:

 Vị trí ê-líp-xô-ít quy chiếu quốc gia: ê-líp-xô-ít WGS-84 toàn cầu được xác định

vị trí (định vị) phù hợp với lãnh thổ Việt Nam trên cơ sở sử dụng điểm GPS cạnh dài

có độ cao thuỷ chuẩn phân bố đều trên toàn lãnh thổ

 Điểm gốc toạ độ quốc gia: Điểm N00 đặt tại Viện Nghiên cứu Địa chính thuộc Tổng cục Địa chính, đường Hoàng Quốc Việt, Hà Nội

4 Tính chuyển giữa các hệ tọa độ

Muốn chuyển từ hệ toạ độ địa phương sang hệ toạ độ toàn cầu WGS 84 (và ngược lại) cần biết 9 tham số tính chuyển, bao gồm hai tham số mô tả kích thước hình dáng của ellipsoid (a và f) và 7 tham số tính chuyển toạ độ không gian là 3 giá trị độ lệch gốc toạ độ, 3 giá trị góc quay Euler của trục toạ độ và 1 tham số về tỷ lệ dài

I.1.3 Khái quát phần mềm GPSurvey 2.35

 Phần mềm GPSurvey 2.35 do hãng Trimble, một trong những hãng sản xuất thiết bị và phần mềm GPS hàng đầu thế giới, xây dựng năm 1991 GPSurvey 2.35 cho phép xử lý các loại dữ liệu đo GPS 1 tần số L1 hay cả 2 tần số L1 và L2 với các chế độ

đo tĩnh (static), đo tĩnh nhanh (fast static), đo động (kinematic) , rất tiện lợi và chính xác

 Trước đây phần mềm được nhà sản xuất bán kèm khi mua thiết bị của hãng, việc

sử dụng hạn chế do phải có khoá cứng đi kèm Từ năm 2000 phần mềm này xoá bỏ bản quyền và cho phép sử dụng rộng rãi Hiện nay, GPSurvey 2.35 được dùng phổ biến trong công tác xử lý các số liệu đo lưới khống chế trắc địa bằng GPS và đã có nhiều nghiên cứu nhằm khai thác sử dụng hiệu quả phần mềm để giải quyết các nhiệm

vụ chuyên nghành Phần mềm gồm một số mô đun như: GPLoad để trút số liệu từ máy thu sang máy tính, Plan để lập kế hoạch đo, và quan trọng hơn cả là WAVE xử cạnh

đo và mô đun TRIMNET Plus bình sai lưới theo số liệu chu kỳ đo

 Khi lựa chọn Plan, menu chương trình sẽ kích hoạt modul Quick Plan/ Plan cung cấp cho người sử dụng GPS những thông tin gồm các hệ số DOP, góc cao của vệ tinh, góc phương vị và vị trí các vệ tinh theo thời gian Trên cơ sở đó có thể tính toán

và lập kế hoạch đo ngoài thực địa một cách hợp lý Cả hai lựa chọn chính là Plan Project và Quick Plan đều cho phép thực hiện các mục đích sau:

 Định nghĩa lại múi giờ địa phương

 Xem xét đồ hình phân bố vệ tinh, phương vị, góc cao, thời gian xuất hiện

 Lựa chọn thời gian đo theo các tham số yêu cầu

 WAVE cho phép tính gia số tọa độ và chiều dài nghiêng giữa hai điểm đo đồng thời trong cùng một ca Nó vừa cho phép người xử lý hiệu đính những sai lầm đã phạm phải trong quá trình đo - liên quan tới tên điểm đo, loại ăng ten, cách đo và chiều cao ăng ten , lại vừa đưa ra nhiều lựa chọn, tạo điều kiện cho người xử lý - bằng nhiều nỗ lực tính toán - tìm được lời giải tốt cho độ dài đường đáy cũng như hiệu tọa

độ giữa các điểm

 TRIMNET Plus có chức năng xử lý hỗn hợp tất cả các ca đo của lưới, bình sai

để tính trong hệ WGS-84 các thành phần tọa độ điểm lưới, phương vị và độ dài nghiêng của từng cạnh đo cùng các sai số trung phương tương ứng của chúng Nó còn cho phép tính chuyển tọa độ sang các hệ tọa độ khác khi đã có bổ sung các thông tin

hỗ trợ cần thiết Nó đồng thời cho phép xử lý kết hợp các loại số liệu đo khác nhau như số liệu đo GPS, số liệu đo mặt đất bằng các thiết bị thông dụng

 Hiện tại phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam

I.1.4 Khái quát về lưới khống chế trắc địa

 Để thành lập bản đồ, bình đồ, công tác trắc địa phải giải quyết hai phần công việc Đầu tiên là xây dựng mạng lưới khống chế trắc địa mặt bằng và độ cao Sau đó, dựa trên lưới khống chế tiến hành đo vẽ địa hình địa vật

 Mạng lưới khống chế trắc địa là hệ thống các điểm khống chế trắc địa liên kết lại với nhau Các điểm khống chế trắc địa được chọn và đánh dấu bằng các mốc dấu vững chắc ở trên mặt đất Tiến hành đo đạc các yếu tố của lưới, xử lý số liệu để tính ra tọa độ, độ cao của các điểm khống chế trong một hệ thống tọa độ và độ cao thống nhất

 Lưới khống chế trắc địa được xây dựng theo nguyên tắc: “Từ toàn diện đến cục bộ”, “Từ độ chính xác cao đến độ chính xác thấp”

 Theo quy mô và độ chính xác của lưới khống chế trắc địa, trong phạm vi lãnh thổ của một quốc gia, lưới khống chế trắc địa được chia thành ba loại: đầu tiên là lưới khống chế trắc địa Nhà nước, sau đó là khống chế trắc địa khu vực, cuối cùng là khống chế trắc địa đo vẽ

 Lưới khống chế trắc địa Nhà nước của Việt Nam cả về mặt bằng và độ cao được xây dựng theo 4 hạng là: hạng I, hạng II, hạng III, hạng IV Độ chính xác giảm dần từ hạng I xuống hạng IV

 Lưới khống chế mặt bằng và lưới khống chế độ cao Nhà nước của Việt Nam được xây dựng qua nhiều giai đoạn, sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau

 Giai đoạn đo đạc lưới tam giác hạng I, hạng II ở miền Bắc được tiến hành từ năm 1959 đến năm 1963, tính toán bình sai xong năm 1966

 Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng I khu vực Bình - Trị - Thiên được tiến hành từ năm 1977 đến năm 1983

 Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng II miền Trung, phương án xây dựng là lưới tam giác hạng II dày đặc thay thế cho việc xây dựng lưới hạng I và chêm lưới hạng II Được xây dựng từ năm 1983 đến năm 1992

 Giai đoạn đo đạc lưới đường chuyền hạng II Nam bộ được đo đạc từ năm

 Mạng lưới độ cao Nhà nước là mạng lưới độ cao được đo bằng phương pháp đo cao hình học, được xây dựng từ năm 1959 đến năm 1991

 Từ năm 1992 đến năm 1995, chúng ta đã đo lưới GPS cạnh dài phủ trùm toàn quốc nối đất liền với hải đảo, đo lưới GPS cấp “0” để kiểm định các lưới hạng I, hạng

II mặt bằng đã xây dựng trước đây, đồng thời là phương tiện để đo nối tọa độ của Việt Nam với lưới tọa độ trong khu vực và quốc tế

 Để phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính, người ta xây dựng lưới tọa độ địa chính cơ sở Phương án để xây dựng lưới địa chính cơ sở là chêm vào các điểm lưới hạng I, hạng II Nhà nước bằng công nghệ GPS

 Mật độ điểm khống chế trắc địa Nhà nước, lưới địa chính cơ sở không đủ để đo

vẽ bản đồ, bình đồ, người ta phải tăng dày lưới khống chế trắc địa bằng cách xây dựng lưới khống chế khu vực Trong quy phạm thành lập bản đồ địa chính (trước năm 2008) gọi lưới khống chế khu vực về mặt bằng là lưới tọa độ địa chính cấp I, cấp II; được thành lập bằng phương pháp lưới tam giác đo góc, đo cạnh, bằng công nghệ GPS, bằng phương pháp lưới đường chuyền

 Đến ngày 10 tháng 11 năm 2008, Bộ TN & MT đã ban hành Quyết định số 08/2008/QĐ-BNTMT, Quy phạm thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 Gọi lưới khống chế khu vực để đo vẽ địa chính là lưới địa chính (thay thế cho lưới địa chính cấp I, cấp II) được xây dựng bằng phương pháp đường chuyền hoặc bằng công nghệ GPS

I.2 Cơ sở pháp lý và văn bản pháp quy

I.2.1Cơ sở pháp lý

 Quyết định số: 08/2008/QĐ-BTNMT Ban hành Quy phạm thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000

 Nghị định số 12/2002/NĐ-CP ngày 22/01/2002 về hoạt động đo đạc và bản đồ

 Luật Đất đai ngày 26 tháng 11 năm 2003

 Chỉ thị 05/2004/CT-TTg, ngày 09/02/2004 của Thủ tướng Chính phủ về triển khai thi hành Luật Đất đai năm 2003

 Nghị định 181/2004/NĐ-CP ngày 29/10/2004 của Chính phủ về thi hành Luật Đất đai năm 2003

 Quyết định số 25/2004/QĐ-BTNMT, ngày 01/11/2004 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc ban hành kế hoạch về triển khai thi hành Luật Đất đai

 Thông tư số 08/2007/TT-BTNMT, ngày 02/8/2007 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc hướng dẫn thực hiện thống kê, kiểm kê đất đai và xây dựng bản đồ hiện trạng sử dụng đất

 Thông tư số 09/2007/TT-BTNMT, ngày 02/8/2007 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc hướng dẫn lập, chỉnh lý, quản lý hồ sơ địa chính

 Quyết định số 124/2004/QĐ-TTg ngày 08/7/2004 của Thủ tướng Chính phủ về việc ban hành bảng danh mục và mã số các đơn vị hành chính Việt Nam

 Thông tư số 30/2004/TT-BTNMT ngày 01/11/2004 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc hướng dẫn lập, điều chỉnh và thẩm định quy hoạch, kế hoạch sử dụng đất

 Thông tư số 01/2005/TT-BTNMT, ngày 13/4/2005 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, hướng dẫn thực hiện một số điều của Nghị định 181/2004/NĐ-CP ngày 29/10/2004 của Chính phủ về thi hành Luật Đất đai

I.2.2 Văn bản pháp quy

 Quyết định số 05/2007/QĐ-BTNMT, ngày 27/02/2007 của Bộ Tài nguyên và Môi trường

về sử dụng hệ thống tham số tính chuyển giữa Hệ toạ độ quốc tế WGS-84 và Hệ toạ độ quốc gia VN-2000

 Thông tư số 973/2001/TT-TCĐC ngày 20/06/2001 của Tổng cục Địa chính hướng dẫn áp dụng Hệ quy chiếu và Hệ toạ độ quốc gia VN-2000

 Quy phạm thành lập lưới tọa độ các cấp của Viện nghiên cứu địa chính ban hành năm 2002

 Thông tư số 02/2007/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường hướng dẫn kiểm tra, thẩm định và nghiệm thu công trình, sản phẩm đo đạc bản đồ ban hành ngày 12 tháng 2 năm

I.3 Cơ sở thực tiễn

Cơ sở thực tiễn của đề tài: Đề tài đáp ứng được nhu cầu của địa phương, của ngành nói chung và của tỉnh Sóc Trăng nói riêng trong việc thành lập lưới địa chính Phục vụ công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính, cấp giấy CNQSD đất

I.4 Khái quát địa bàn nghiên cứu

I.4.1 Điều kiện tự nhiên

1 Vị trí địa lý

Thị trấn phú lộc nằm về phía nam của huyện Thạnh Trị Với tổng số dân khoảng 13.570 người, diện tích tự nhiên là 2580,44 ha Trong đó đất sản xuất nông nghiệp là 2250.48 ha; đất phi nông nghiệp 329.96ha

Phía Nam giáp tỉnh Bạc Liêu

Phía Đông giáp huyện Mỹ Xuyên

Phía Tây giáp xã Châu Hưng

Hình I.16

2 Địa hình, địa mạo:

Khu đo thuộc đồng bằng Tây Nam bộ, địa hình tương đối bằng phẳng, có độ cao trung bình từ 0,8 – 1,1 m so với mặt nước biển, địa hình có dạng thấp dần theo hường Tây Bắc-Đông Nam, phía đông bắc là sông Hậu, trong địa bàn khu đo có hệ thống sông ngòi, kênh rạch, chằng chịt liên thông nên chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều, song rất thuận tiện cho lưu thông đi lại, vận chuyển hàng hóa bằng đường thuỷ

 Chất đất: Đất đai phần lớn là đất phù sa xen lẫn cát là các vùng đất nhiễm phèn

và nhiễm mặn ít, ngoài ra còn có các vùng đất sình lầy do ứ đọng nước Mùa khô đi lại tương đối dễ dàng, mùa mưa đất trở nên sình và dính, đi lại rất khó khăn Khu đo đã được đầu tư xây dựng, nâng cấp nhiều các công trình cơ sở hạ tầng về giao thông, thuỷ lợi

 Thực phủ: Khu đo có độ che phủ khá cao, diện tích trông cây lâu năm tương đối nhiều, ở các khu vực dân cư và gần cụm dân cư chủ yếu trồng lúa nước, trồng màu và các loại cây ăn quả Cây ăn quả được duy trì ổn định cùng với mở rộng quy mô diện tích, đa dạng phong phú về chủng loại, các cây ăn quả chủ yếu như dừa, nhãn, xoài, chuối…

 Đặc điểm khí hậu – thủy văn: Khí hậu nhiệt đới gió mùa chịu ảnh hưởng của biển, với nền nhiệt độ cao và lượng mưa lớn:

 Nhiệt độ: Trung bình năm 26 – 270C; nhiệt độ trung bình tháng thấp nhất

(tháng 1) trong năm xuống 23 – 240C, nhiệt độ trung bình tháng cao nhất (tháng 4) lên tới 31– 320C

 Nắng: Tổng lượng bức xạ trung bình tương đối cao trong năm đạt 140 – 150 kcal/cm2 Tổng giờ nắng bình quân trong năm 2.488,4 giờ, cao nhất thường vào tháng

3 là 290,1 giờ, thấp nhất thường vào tháng 7 là 141,6 giờ

 Nhìn chung, nhiệt độ và ánh sáng trong năm khá ổn định, chênh lệch nhiệt độ giữa các mùa trong năm không nhiều Sự ổn định về nhiệt độ là điều kiện tự nhiên hết sức thuận lợi để thâm canh tăng vụ đa dạng hóa cây trồng, vật nuôi và các loại sản phẩm nông nghiệp

 Độ ẩm: Độ ẩm trung bình cả năm là 84% (cao nhất 89% mùa mưa, thấp nhất 79% mùa khô)

 Mưa: Lượng mưa trung bình là 1.880 mm, mưa tập trung từ tháng 5 đến tháng

10, biến động lượng mưa trong các tháng rất lớn Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, thời gian này hầu như không mưa trong khi lượng bốc hơi cao, dẫn đến tình trạng thiếu nước cho sản xuất và sinh hoạt nhất là vùng sâu, cách xa nguồn nước

 Thuộc khu vực đồng bằng sông Cửu Long nên cũng như các địa phương khác khu đo có cả hệ thống sông, kênh rạch chằng chịt liên thông với nhau, ngoài việc thuận tiện cho giao thông đường thủy nó còn có tầm quan trọng trong việc cung cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu cho cây trồng và thoát nước khi lũ lụt

I.4.2 Điều kiện kinh tế xã hội trong khu đo

 Trên địa bàn khu đo có khoảng 13.570 người, chủ yếu là người Kinh và một số

ít người dân tộc Khơ Me, dân tộc Hoa sống bằng nghề nông và buôn bán nhỏ, nền kinh

tế thuộc loại trung bình của khu vực Trình độ dân trí không đồng đều Tình hình giá

cả sinh hoạt, các vật liệu, vật tư phục vụ cho công tác đo đạc khá đắt đỏ Mạng lưới y

tế về cơ bản đáp ứng phần nào yêu cầu khám chữa bệnh và thực hiện các chương trình

y tế cộng đồng, chăm sóc sức khỏe cho nhân dân

 Mạng dịch vụ điện thoại được phủ đến hầu khắp các các đơn vị, mạng lưới bưu điện đã phát triển tại bưu cục trung tâm tại thị trấn

 Công tác bảo vệ an ninh quốc gia, an ninh chính trị, trật tự an toàn xã hội có chuyển biến tích cực Các vụ việc, vụ án xảy ra trên địa bàn được điều tra, xử lý nghiêm túc Tích cực chủ động giải quyết các tranh chấp, khiếu kiện trong nội bộ cơ

sở, nhất là ở những điểm phức tạp Phong trào quần chúng bảo vệ an ninh tổ quốc được đẩy mạnh, trật tự an toàn xã hội được giữ vững

 Nói chung trên khu đo là địa bàn thuần nông, đời sống vật chất và tinh thần của người dân còn nhiều khó khăn, dân cư hầu hết sống tập trung theo ấp và ven các đường giao thông, bờ các sông, kinh lớn, nghề nghiệp chủ yếu làm nông nghiệp nuôi trồng thủy hải sản, hiện nay tỉnh đã có kế hoạch xây dựng các cụm công nghiệp, đây cũng là điều thuận lợi cho việc giải quyết việc làm cho lực lượng lao động và phát triển kinh tế xã hội

I.5 Nguồn tư liệu dùng để nghiên cứu

I.5.1 Tư liệu trắc địa

 Điểm toạ độ hạng II Nhà nước trên khu đo có 1 điểm II-85, qua khảo sát thấy điểm II-85 ở xã Châu Hưng, điểm này mốc đều còn tốt có thể dùng để đo nối lưới địa chính theo công nghệ GPS được

 Điểm địa chính cơ sở được xây dựng từ năm 1996 đến 2002 bằng công nghệ GPS có độ cao đo bằng công nghệ GPS tương đương độ cao thủy chuẩn hạng III Nhà nước, năm 2002 Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tính toán bình sai lại trên hệ tọa độ mới VN-2000, múi chiếu 6, kinh tuyến trục 10530’ Tổng các mốc địa chính cơ sở trên khu đo qua khảo sát còn tốt có thể dùng để thiết kế đo nối, gồm các điểm có số hiệu như sau: II-85, 692527 và 692433

I.5.2 Tư liệu bản đồ

 Bản đồ địa hình:

Khu vực thi công hiện nay đã có các loại tư liệu bản đồ sau:

 Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:5000 lưới chiếu Gauss, hệ tọa độ HN-72 kinh tuyến trục 105 00’ xuất bản năm 1993, chỉ dùng để tham khảo;

 Bản đồ địa hình cơ sở tỷ lệ 1:5000 dạng số lưới chiếu UTM, hệ tọa độ

VN-2000 kinh tuyến trục 10500’, thành lập năm 2007-2008 bằng phương pháp véctơ hóa trên bình đồ ảnh vệ tinh QuickBird kết hợp với đo vẽ địa hình ở ngoại nghiệp;

 Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000, 1:100.000, 1:250.000 hệ tọa độ VN2000, múi 6°, kinh tuyến 105° phủ trùm khu đo Bản đồ ở dạng số do Bộ Tài nguyên và Môi trường thành lập bằng phương pháp biên vẽ, hiện chỉnh, chuyển hệ

 Các loại bản đồ địa hình trên hệ tọa độ VN-2000 được dùng để tham khảo và thiết kế thi công

 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005

 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005 được xây dựng ở tỷ lệ 1:10.000

 Bản đồ hiện trạng sử dụng đất các cấp được lập theo Thông tư số BTNMT ngày 01/11/2004 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, dùng để tham khảo khi khảo sát thiết kế và lựa chọn tỷ lệ đo vẽ cho từng khu vực

độ chính xác của bản đồ rất thấp, không thể khai thác sử dụng, vì vậy cần phải đo vẽ lập bản đồ địa chính mới

o Độ chính xác của bản đồ đảm bảo đáp ứng được nhu cầu quản lý hiện nay Các loại sản phẩm này sau khi thực hiện xong đều được kiểm tra nghiệm thu và giao nộp theo đúng hướng dẫn của Bộ Tài nguyên và Môi trường và được lưu trữ ở hai dạng giấy và số, ở 3 cấp xã, huyện, tỉnh

o Tóm lại trong các năm qua bản đồ địa chính (chính quy hay không chính quy) được thực hiện trên địa bàn khu đo là tương đối lớn nhưng mức độ khai thác sử dụng rất hạn chế, nó chỉ phát huy có hiệu quả đối với loại bản đồ địa chính được thành lập chính quy, còn loại bản đồ thành lập trên ảnh phóng chỉ để tham khảo

I.5.3 Tư liệu ảnh hàng không

 Trên địa bàn khu đo từ năm 1980 đã có chụp ảnh máy bay để phục vụ các công trình dự án của Nhà nước và địa phương

 Phân khu N22 bay chụp năm 1981; tỷ lệ ảnh trung bình 1:15.000 nhằm phục vụ thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:5000

 Phân khu C5B và C5N bay chụp tháng 4 năm 1990; tỷ lệ ảnh trung bình 1:10.000 nhằm phục vụ thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1:5000

 Nhìn chung ảnh chụp đã lâu, quá lạc hậu so với thực tế sử dụng đất của địa phương do đó không thể khai thác sử dụng được

I.6 Nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu

I.6.1 Nội dung nghiên cứu

 Các luận chứng kinh tế kỹ thuật khi thành lập lưới địa chính

 Thiết kế xây dựng hệ thống lưới địa chính

 Đo GPS tại các điểm lưới địa chính

 Xử lý tính toán bình sai, đánh giá độ chính xác của lưới địa chính

 Thành quả tính toán bình sai lưới toạ độ địa chính

 Kiểm tra, nghiệm thu, giao nộp thành quả

 Đánh giá quy trình công nghệ GPS dùng đo lưới địa chính

I.6.2 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu tài liệu là việc thu thập các tài

liệu có liên quan đến địa bàn nghiên cứu để từ đó tìm hiểu các vấn đề có liên quan đến

các công việc sắp tới như: tổng diện tích khu đo, số lượng điểm khống chế, giao thông,

thủy hệ

 Phương pháp khảo sát thực địa: Khảo sát thực địa là việc trực tiếp đi ra thực địa

để xem xét một cách tổng quát khu vực nghiên cứu để từ đó đưa ra những quyết định hợp lý hơn cho các công việc sau này như việc lựa chọn vị trí đặt điểm khống chế,

thiết kế ca đo

 Phương pháp định vị GPS: Áp dụng kỹ thuật đo tĩnh và nguyên lý định vị tương

đối bằng hệ thống định vị toàn cầu GPS trong công tác xây dựng lưới địa chính

 Phương pháp bản đồ: sử dụng bản đồ để biết được tình hình phân bố giao thông,

thủy hệ, ranh giới hành chính, xác định số lượng và sự phân bố các điểm toạ độ Nhà nước, toạ độ địa chính cơ sở để xác định điểm gốc (cạnh gốc) để từ đó bố trí, chọn điểm thiết kế sơ bộ lưới đo Làm cơ sở cho việc khảo sát thực địa và tiến hành chôn mốc, bố trí ca đo và đo lưới về sau

 Phương pháp bình sai:

 Phương pháp giải cạnh: Chương trình giải cạnh WAVE sẽ nhận số liệu quan sát và tiến hành giải cạnh, với các tham số tính toán đã cài đặt trước Việc tính toán thường bắt đầu từ lời giải Code để tìm ra khoảng cách giả, tiếp theo là lời giải Triple difference (sai phân bậc 3) và Double difference (sai phân bậc 2) của pha sóng tải Dựa trên số liệu đo và chế độ cài đặt sẽ đưa ra lời giải tốt nhất

 Phương pháp bình sai: Module Trimnet Plus hỗ trợ bình sai mạng lưới, chương trình này sử dụng thuật toán bình sai gián tiếp lưới phụ thuộc và lưới tự do không số khuyết để xác định tọa độ chính xác của các điểm khống chế

 Trimnet Plus cho phép phối hợp bình sai các trị đo GPS có sử dụng mô hình Geoid để xác định thêm thành phần độ cao chính h (độ cao thủy chuẩn) Các giá trị độ cao Geoid còn được coi như “trị đo” - “Observed Geoid Heights” để tham gia bình sai theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

 Tọa độ của các điểm khống chế sau bình sai là tọa độ trong hệ quy chiếu

VN-2000, kinh tuyến trục 105o30’, múi chiếu 3o

 Mô hình dị thường độ cao EGM – 96 được sử dụng để tính toán, bình sai độ cao thủy chuẩn từ độ cao trắc địa

 Phương pháp chuyên gia: tham khảo, thu nhận những ý kiến đóng góp, nhận xét

của những người có chuyên môn, kinh nghiệm về vấn đề nghiên cứu để kết quả nghiên cứu được chính xác

I.6.3 Phương tiện nghiên cứu

1 Các thiết bị thu thập số liệu đo

Máy đo GPS thu tín hiệu vệ tinh 2 tần số TRIMBLE NAVIGATION 4800 được

Bộ Tài Nguyên & Môi Trường cho phép sử dụng đo lưới tọa độ, độ cao nhà nước Áp

kế, ẩm kế và nhiệt kế

 Máy thu Trimble 4800:

Đây là máy thu 2 tần số có dạng hình trụ gọn nhẹ Ăng ten được gắn liền với máy thu Máy thu GPS có các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

Hình: I.17 Máy thu Trimble 4800

2 Hệ thống xử lý kết quả và tính toán số liệu

 Phần cứng

 Máy vi tính xách tay:

o Màn hình LCD 14.1”

o CPU: Genuine Intel T1600 @ 1.66GHz (2 CPUs)

o Ram: 1GB, dung lượng ổ cứng 160 Gb

 Ứng dụng phần mềm GPSurvey 2.35 trong xử lý tính toán số liệu đo GPS

 Ứng dụng Module VN2000 biên tập thành quả bình sai GPS

I.7 Quy trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Công tác chuẩn bị

Trút và xử lý số liệu đo

Kiểm tra nghiệm thu

Khảo sát và tìm hiểu địa bàn nghiên cứu

Thiết kế, chọn điểm, chôn mốc

Lập lịch đo

Đo đạc GPS ngoài thực địa

Biên tập kêt quả

Giao nộp sản phẩm

Viết thuyết minh báo cáo

PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

II.1 Các luận chứng kinh tế kỹ thuật khi thành lập lưới địa chính:

Khi xây dựng lưới địa chính, cần tuân thủ các quy định, yêu cầu kỹ thuật, theo

Quyết định số: 08/2008/QĐ-BTNMT Ban hành Quy phạm thành lập bản đồ địa chính

tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 Và phải tuân thủ theo phương

án của khu đo Cụ thể như sau:

 Quy định chung:

 Lưới địa chính được xây dựng bằng phương pháp đường chuyền hoặc bằng

công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, tứ giác để

làm cơ sở phát triển lưới khống chế đo vẽ

 Dù thành lập lưới địa chính bằng phương pháp nào cũng phải đảm bảo độ

chính xác sau bình sai theo quy định sau: (Bảng II.1 )

STT Các chỉ tiêu kỹ thuật Độ chính xác không quá

3 Sai số trung phương tuyệt đối cạnh dưới 400 m 0,012m

5 Sai số trung phương phương vị cạnh dưới 400 m 10’’

Bảng II.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật

 Lưới địa chính phải được đo nối với ít nhất 2 điểm toạ độ Nhà nước có độ

chính xác từ điểm địa chính cơ sở hoặc từ điểm hạng IV Nhà nước trở lên

 Trước khi thiết kế lưới phải tiến hành khảo sát thực địa để chọn phương pháp

xây dựng lưới phù hợp và phải lưu ý sao cho thuận tiện cho phát triển lưới khống chế

đo vẽ

 Xây dựng lưới địa chính bằng công nghệ GPS

 Lưới địa chính đo bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ

hình chuỗi tam giác, chuỗi tứ giác được đo nối (tiếp điểm) với ít nhất 3 điểm hạng cao

hoặc các cặp điểm thông hướng được đo nối (tiếp điểm) với ít nhất 2 điểm hạng cao;

khoảng cách giữa các điểm hạng cao không quá 10 km Trong trường hợp đặc biệt lưới

địa chính được phép đo nối với 2 điểm hạng cao nhưng phải nêu rõ trong TKKT-DT

công trình

 Trước khi tiến hành đo, máy, thiết bị đo phải được kiểm tra, kiểm nghiệm đầy

đủ các nội dung sau:

o Đối với máy thu GPS đang sử dụng, trước khi đo cần kiểm tra đầy đủ các

mục sau đây: