Cả hai sóng tải L1 và L2 cịn đƣợc điều biến bởi các thông tin đạo hàng bao gồm lịch vệ tinh, thời gian của hệ thống, số hiệu chỉnh cho đồng hồ vệ tinh, quang cảnh phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng của hệ thống.
Bảng 1.4: Bảng tần số các sóng L1, L2 L1 = 1575,42 MHz L1 = 1575,42 MHz C/A-code 1,023MHz P-code 10,23MHz Thông tin đạo hàng
L1 = 1227,60 MHz
P-code 10,23MHz và thơng tin đạo hàng
Ngồi hai sóng tải L1 và L2 phục vụ mục đích định vị cho ngƣời sử dụng, các vệ tinh cịn sử dụng hai sóng tần số 1783,74 Mhz và 2227,5 Mhz để trao đổi thông tin với các trạm điều khiển trên mặt đất sẽ đƣợc nói đến ở phần sau.
Mỗi vệ tinh GPS có trọng lƣợng 1-2 tấn. Các máy móc thiết bị trên vệ tinh hoạt động nhờ năng lƣợng do các tấm pin mặt trời với sải cánh dài 580 cm cung cấp. Tuổi thọ của vệ tinh theo thiết kế là 7,5 năm; tuy nhiên nhiều vệ tinh bị hỏng hóc khá nhanh và lần lƣợt phải đƣợc thay thế [1].
Đoạn này gồm 5 trạm quan sát trên mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và 4 trạm theo dơi đặt tại Hawaii (Thái Bình Dƣơng), Ascension Island (Đại Tây Dƣơng), Diego Garcia (Ấn Độ Dƣơng) và Kwajalein (Đơng Thái Bình Dƣơng). Các trạm này tạo thành một vành đai bao quanh Trái đất.
Các trạm điều khiển theo dôi liên tục tất cả các vệ tinh có thể quan sát đƣợc. Các số liệu quan sát đƣợc ở các trạm này đƣợc chuyển về trạm điều khiển trung tâm (MCS - master control station), tại đây việc tính tốn số liệu chung đƣợc thực hiện và cuối cùng các thông tin đạo hàng cập nhật đƣợc chuyển lên các vệ tinh, để sau đó từ vệ tinh chuyển đến các máy thu của ngƣời sử dụng.
Nhƣ vậy, vai trò của đoạn điều khiển rất quan trọng vì nó khơng chỉ theo dơi các vệ tinh mà còn liên tục cập nhật để chính xác hố các thơng tin đạo hàng, bảo đảm độ chính xác cho cơng tác định vị bằng hệ thống GPS.
Hình 1.3: Mạng lưới các trạm điều khiển của hệ thống GPS từ sau năm 2005.
Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa khơng gian Mỹ (NGA: National Geospatial-Intelligence Agency) đã đƣợc thêm vào phần điều khiển của GPS, nâng tổng số trạm điều khiển lên thành 11 (hình 1.5). Với số lƣợng trạm điều khiển nhƣ vậy, mỗi vệ tinh ln ln có thể nhìn đƣợc thấy ít nhất từ 2 trạm điều khiển và kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ đƣợc chính xác hơn. Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của NGA đƣợc bổ sung và khi đó
mỗi vệ tinh ln ln có thể nhìn đƣợc tối thiểu 3 trạm điều khiển [1].
1.2.4.3. Đoạn sử dụng
Đoạn sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận đƣợc các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận đƣợc cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ tƣơng đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km. Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác cỡ dm). Để đo đƣợc trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta phải sử dụng máy 2 tần số để khử ảnh hƣởng của tầng điện ly trong khí quyển Trái đất. Tồn bộ hệ thống GPS hoạt động trong hệ tọa độ toàn cầu WGS-84.
Các kỹ thuật đo đạc bằng GPS bao gồm: đo tĩnh, đo tĩnh nhanh, đo động xử lý sau, đo động thời gian thực [1]. Chi tiết về các kỹ thuật này sẽ đƣợc trình bày trong Chƣơng 2.
1.3. Tình hình ứng dụng GPS trong đo đạc địa chính
Đo đạc địa chính sử dụng cơng nghệ GPS là một phƣơng pháp mới đƣợc áp dụng trong vài thập niên trở lại đây. Trƣớc đây, do giá thành thiết bị cũng nhƣ điều kiện về kỹ thuật sử dụng công nghệ trong lĩnh vực GPS phục vụ đo đạc địa chính chỉ dừng lại trong vấn đề thành lập lƣới khống chế. Tuy nhiên, hiện nay công nghệ GPS cũng đã pháp triển cả về phần cứng lẫn phần mềm nên dần đƣợc ứng dụng nhiều trong các hoạt động khác của công tác quản lý đất đai.
Công nghệ này áp dụng có hiệu quả với những khu vực khơng có địa vật hoặc cây cối che khuất và hiệu quả nhất trong đo đạc địa chính khu vực đất nơng nghiệp. Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hồn thiện theo chiều hƣớng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và đƣợc sử dụng rộng rãi. Sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lƣới tọa độ thay thế cho các phƣơng pháp truyền thống, đạt đƣợc độ chính xác cao, nhằm đẩy nhanh tiến độ thi cơng cũng nhƣ phục vụ tốt cho việc thành lập bản đồ địa chính đáp ứng cho việc quản lý đất đai đƣợc
hiệu quả hơn.
Hiê ̣n nay Viê ̣n Khoa ho ̣c Đo đa ̣c và Bản đồ đã có nhiều các công trình nghiên cƣ́u, và triển khai về ứng dụng cơng nghệ GPS trong đo đạc địa chính nhƣ:
- Nghiên cứu cơ sở khoa học của công nghệ LODG (Locally Optimized Defferential GPS) trong thành lập bản đồ địa chính và đề xuất quy trình kiểm tra sản phẩm khi áp dụng công nghệ LODG).
- Ứng dụng công nghệ GPS (cụ thể là cơng nghệ GPS cải chính phân sai) và ảnh vệ tinh (ảnh SPOT5) trong công tác đo vẽ thành lập bản đồ hiện trạng, bản đồ địa chính trích đo khu vực đất ngập nƣớc ven biển.
- Đo đạc đi ̣a chính phu ̣c vu ̣ công tác giao đất , giao rƣ̀ng trên đi ̣a bàn tỉnh Thái Nguyên.
- Cấp GCN QSDĐ, quyền sở hữu nhà ở và tài sản khác gắn liền với đất cho đất tín ngƣỡng, đất sử dụng cho kinh tế trang trại, đất xây dựng nhà văn hóa thơn, khu phố trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh.
Trong các cơng trình trên thì các dự án ở Thái Nguyên và Bắc Ninh là hai dự án khơng mang tính chất nghiên cứu mà triển khai thực tế ngồi thực địa. Với cơng trình giao đất giao rừng trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên khó khăn ở quá trình di chuyển trên địa hình đồi núi và cây cối rậm rạp. Khi bắt đầu triển khai đơn vị thi công cũng chỉ áp dụng các phƣơng pháp đo truyền thống nhƣ đo GPS tĩnh và đo tồn đạc. Do đó tiến độ cơng việc rất thấp, để đẩy nhanh tiến độ đã áp dụng phƣơng pháp đo động thời gian thực sử dụng hạ tầng mạng viễn thông di động và đã cho kết quả tƣơng đối khả quan.
Với cơng trình đo trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh có thuận tiện và giao thơng và cơ sở hạ tầng, tuy nhiên các thửa đất cần đo ở đây phân bố tƣơng đối rời rạc, và khi áp dụng công nghệ này thì hiệu quả rất rơ rệt, bởi vì nếu theo các phƣơng pháp truyền thống khác thì số lƣợng các điểm khống chế đo vẽ tăng rất nhiều vì có những xã ngƣời dân đăng ký vài trăm các trang trại nằm rải rác.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về sử dụng mạng viến thông trong đo đạc GPS trong đo đạc GPS
Vói sự phát triển bùng nổ của hệ thống hạ tầng mạng viễn thông về cả chất lƣợng và giá thành. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng mạng viễn thông di động trong GPS. Nhƣ ứng dụng đƣờng truyền này để truyền tải các thơng tin thuộc tính, bản đồ nền (Maps trên android của Google, Maps trên IOS của Apple…). Trong đó, các ứng dụng khả năng thay thế phƣơng thức về truyền tải dữ liệu phƣơng pháp truyền thống sử dụng sóng radio bằng hệ thống hạ tầng mạng viễn thông di động từ máy Base đến máy Rover trong đo đạc GPS để có độ chính xác cao (cỡ cm) hiện nay cũng đã có nhiều nghiên cứu và ứng ở trong và ngoài nƣớc.
Trên phạm vi quốc tế đã có những nghiên cứu và ứng dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong đo đạc GPS. Các nghiên cứu này cũng tập trung vào lý thuyết về nguyên tắc đo GPS động thời gian thực, các hạn chế và ƣu điểm của phƣơng pháp này khi sử dụng sóng radio và hạ tầng mạng viễn thông di động, nghiên cứu băng thông đƣờng truyền của mạng viễn thông di động, cấu trúc dữ liệu đầu ra của thiết bị GPS phù hợp với giao thức truyền tải dữ liệu. đánh giá về khoảng cách ảnh hƣởng độ chính xác, ảnh hƣởng của môi trƣờng đặt biệt là tầng điện ly tác động đến sai số. Các hệ thống thử nghiệm sử dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong truyền dữ liệu phục vụ đo đạc GPS thời gian động kể đến nhƣ hệ thống ACOS của Bỉ và hệ thống SAPOS của Đức [10, 11, 16, 17].
Cịn ở Việt Nam hiện nay đã có một số đơn vị ứng dụng hệ thống truyền tải dữ liệu sử dụng hạ tầng mạng viễn thông di động trong đo đạc GPS. Đơn cử với hệ thống trạm tham chiếu ảo (VRS) với hệ thống này xử lý cạnh đến hàng chục và có thể đến trăm km.
Cơng nghệ trạm tham chiếu ảo (VRS) là sự phát triển tiếp theo của công nghệ RTK trên cơ sở xây dựng mạng lƣới cơng nghệ RTK với ít nhất 03 trạm quy chiếu, còn các tọa độ không gian của các trạm quy chiếu đƣợc xác định với độ chính xác cao trong hệ tọa độ ITRF. Các máy thu trên các trạm quy chiếu là các máy thu hai tần số [9].
Tuy nhiên hệ thống này khi sử dụng nhiều trạm Base thì các dữ liệu đƣợc truyền tải từ Base đến Server có cấu trúc khác với dữ liệu truyền tải trong hệ thống
này. Trong trƣờng hợp sử dụng một Base (Single Base) thì hệ thống này về bản chất tƣơng tự với đề luận văn tuy nhiên đòi hỏi phải đầu tƣ cao về thiết bị phần cứng, phần mềm và con ngƣời.
CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN THỰC
SỬ DỤNG HẠ TẦNG MẠNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG 2.1. Cơ sở khoa học của phƣơng pháp đo GPS động thời gian thực
Trong đo đạc bằng cơng nghệ GPS có hai nhóm phƣơng pháp đo chính là: - Đo GPS tuyệt đối: Là phƣơng pháp xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ tồn cầu WGS-84. Ngun lí cơ bản của phƣơng pháp định vị tuyệt đối là lấy khoảng cách đo đƣợc giữa vệ tinh và ăng-ten của máy thu làm chuẩn, dựa vào tọa độ đã biết của vệ tinh ở ngay thời điểm đấy để xác định vị trí của máy thu ở trên mặt đất. Phƣơng pháp đinh vị tuyệt đối của GPS thực chất là phƣơng pháp giao hội nghịch trong khơng gian. Do đó, ở mỗi máy thu, chỉ cần xác định 03 khoảng cách đến ba vệ tinh khác nhau là định vị đƣợc, tức là máy thu sẽ nằm trên giao điểm của ba đƣờng trịn có tâm lần lƣợt là ba vệ tinh, bán kính là khoảng cách từ các vệ tinh đến máy thu. Để sử dụng cho cơng tác đo đạc chính xác cao thì cần thiết bị có giá thành cao thời gian đo kéo dài có thể đến vài ngày liên tục và cần số liệu lịch vệ tinh chính xác nên khó có thể sử dụng trong thực tế cho đo đạc địa chính. Do nhiều nguồn sai số nên khi đo đạc trong khoảng thời gian ngắn, độ chính xác vị trí điểm thấp (sai số khoảng 5-15 m), khơng dùng đƣợc cho việc đo đạc chính xác, chỉ dùng cho mục đích dẫn đƣờng và các mục đích khác với yêu cầu độ chính xác khơng cao. Đối với phƣơng pháp này chỉ dùng một máy để thu tín hiệu vệ tinh [1].
- Đo GPS tƣơng đối: Thực chất của phƣơng pháp đo là xác định hiệu toạ độ
không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên 2 của đầu khoảng cách cần đo (Baseline) và sử dụng nguyên tắc đồng ảnh hƣởng (trong phạm vi ngắn thì các ảnh hƣởng nhƣ môi trƣờng, độ ẩm, nhiệt độ, tầng điện ly,…) đến các thiết bị là nhƣ nhau. Do đó, độ chính xác của phƣơng pháp này là rất cao do loại trừ đƣợc nhiều nguồn sai số nên đƣợc sử dụng trong đo đạc xây dựng lƣới khống chế trắc địa và công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất cần tối thiểu 2 máy thu vệ tinh trong
một thời điểm đo. Tuỳ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà ngƣời ta chia thành 4 dạng đo tƣơng đối, đó là: đo tĩnh (Static), đo tĩnh nhanh (Fast – Static), đo động (Kinematic) và đo giả động (Pseudo Kinematic). Tuỳ từng dạng lƣới mà sử dụng phƣơng pháp đo thích hợp [1].
2.1.1. Phương pháp đo tĩnh (static)
Trong kỹ thuật đo tĩnh, một máy thu đặt ở điểm đã biết toạ độ (gọi là Base receiver) và máy thu thứ 2 đặt tại điểm cần xác định toạ độ (gọi là Remote receiver). Nếu có nhiều hơn hai máy thu thì có thể bổ sung thêm các Base receiver hoặc Remote receiver.
Khi kỹ thuật đo tĩnh đòi hỏi các máy thu phải cùng đo đồng thời một khoảng thời gian khá lâu (từ 30 phút tới thậm chí vài ngày) để có thể tính đƣợc số ngun chu kỳ. Khoảng thu tín hiệu (logging interval) thƣờng đƣợc chọn là 15-20s. Thời gian đo phụ thuộc vào số lƣợng vệ tinh, đồ hình vệ tinh, chiều dài cạnh đáy, loại máy thu (1 tần số hay là 2 tần số), yêu cầu về độ chính xác,… Cần chú ý là trong quá trình đo phải có tối thiểu 4 vệ tinh cùng đƣợc nhìn thấy từ Base receiver và Remote receiver.
Hình 2.1: Sơ đồ kỹ thuật đo tĩnh [1]
2.1.2. Phương pháp đo tĩnh nhanh (fast static)
phƣơng pháp đo tĩnh nhanh vì nó đƣợc đo trong khoảng thời gian ngắn, tùy thuộc vào các loại thiết bị, yêu cầu của các loại bản đồ và cạnh Base line mà thời gian đo có thể kéo dài từ 1 đến 2 tiếng.
2.1.3. Phương pháp đo động (Kinematic)
Ra đời từ năm 1985 song đến những năm 1990 phƣơng pháp này mới đƣợc áp dụng rộng rãi nhờ có tiến bộ trong lời giải OTF (on-the-fly). Ở Mỹ, kỹ thuật đo động đƣợc triển khai thử nghiệm từ năm 1997. Phƣơng pháp đo dựa trên nguyên lý định vị tƣơng đối.
Cơ sở định vị động dựa trên sự khác nhau của trị đo giữa hai chu kỳ đo (epoch), đƣợc nhận bởi một máy thu tín hiệu của chính vệ tinh nào đó chuyển đến. Sự thay đổi đó tƣơng đƣơng với sự thay đổi khoảng cách địa diện đến vệ tinh.
Phƣơng pháp này cho phép xác định vị trí tƣơng đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong đó tại mỗi điểm đo chỉ cần thu tín hiệu trong vịng từ 5 đến 15 giây tuỳ thuộc vào tần suất ghi tín hiệu. Theo phƣơng pháp này chỉ cần có ít nhất 2 máy thu. Để xác định đƣợc số nguyên chu kỳ của tín hiệu vệ tinh cần phải có một cạnh đáy đã biết, tức là nối 2 điểm đã biết toạ độ. Sau khi đã xác định đƣợc số nguyên chu kỳ thì nó đƣợc giữ ngun để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đo tiếp sau trong suốt ca đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo chỉ vài chục giây, khơng phải thời gian dài nhƣ phƣơng pháp đo tĩnh.
Với cạnh đáy đã biết, ta đặt một máy thu cố định ở điểm đầu cạnh đáy và cho tiến hành thu liên tục tín hiệu vệ tinh trong suốt chu kỳ đo. Máy này đƣợc gọi là máy cố định (Base station). Ở điểm cuối cạnh đáy, ta đặt máy thu thứ hai cho nó thu tín hiệu vệ tinh đồng thời với máy cố định trong vòng từ 20s đến 60s. Việc làm này gọi là khởi đo (initialization). Tiếp đó cho máy di động lần lƣợt chuyển đến các điểm đo cần xác định, tại mỗi điểm đo, tại mỗi điểm đo dừng lại để thu tín hiệu trong một vài phút và cuối cùng trở về điểm xuất phát là điểm cuối cạnh đáy để