2.2. Các ứng dụng công nghệ trong thành lập bản đồ địa chính
2.2.4. Tổng quan công nghệ về GNSS và máy RTK
Hệ thống GNSS là một hệ thống định vị, đẫn đường được triển khai vào những năm 70 của thế kỷ 20. Ban đầu nó được ứng dụng trong quân sự nhưng sau đó nó được ứng dụng trong mọi mặt của đời sống như kinh tế, xã hội … và đặc biệt trong ngành Trắc Địa - Bản Đồ. Trên quỹ đạo có những hệ thống vệ tinh nhân tạo với nhiệm vụ là xác định vị trí của những đối tượng trên mặt đất. Bất cứ ai, vật gì trên toàn cầu, khi mang theo một máy thu đặc biệt thì nhờ hệ thống vệ tinh này có thể biết được khá chính xác hiện tại mình đang ở vị trí nào trên trái đất. Người ta gọi đây là Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS (Global Navigation Satellite System – GNSS).
Với công nghệ GNSS các giai đoạn của đo đạc và thành lập bản đồ đã được rút ngắn đi đang kể giúp giảm bớt chi phí, nhân công, thời gian trong tổ chức sản xuất Trắc Địa Bản Đồ. Cùng với thời gian hệ thống GNSS ngày càng phát triển hoàn thiện chính xác, hiệu quả hơn. Cùng với đó phương pháp đo động xử lý tức thời đã định vị độ chính xác cao có thể ứng dụng trong Trắc Địa - Bản Đồ.
Cơ cấu của một hệ thống GNSS : Hệ thống GNSS được cấu tạo thành ba phần: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng. Cụ thể, mô tả hệ thống GPS của Mỹ như sau: + Phần không gian: gồm các vệ tinh hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo. Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD.
+ Phần điều khiển: để duy trì hoạt động của toàn bộ hệ thống GPS cũng như hiệu chỉnh tín hiệu thông tin của vệ tinh. Có các trạm quan sát trên mặt đất, chia thành trạm trung tâm và trạm con. Các trạm con, vận hành tự động, nhận thông tin từ vệ tinh, gửi tới cho trạm chủ. Sau đó các trạm con gửi thông tin đã được hiệu chỉnh trở lại, để các vệ tinh biết được vị trí của chúng trên
quỹ đạo và thời gian truyền tín hiệu. Nhờ vậy, các vệ tinh mới có thể đảm bảo cung cấp thông tin chính xác tuyệt đối vào bất kỳ thời điểm nào.
+ Phần người sử dụng và thiết bị thu vệ tinh: là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng cần có ăng ten và máy thu thu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển. Để có thể thu được vị trí, ở phần người sử dụng cần có ăng ten và máy thu GNSS.
2.2.4.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GNSS
Các vệ tinh của GNSS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất.
Các máy thu GNSS nhận thông tin này và bằng các phép tính lượng giác, máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy tính. Máy thu GNSS phải bắt được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động.
Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ và độ cao). Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, mặt trời lặn và nhiều thứ khác nữa.
Hình 2.4. Hệ thống GNSS
2.2.4.3. Một số ứng dụng của GNSS
GNSS được sử dụng cho vô số các ứng dụng khác nhau. Ngày nay rất dễ dàng nhận thấy sự hiện diện của GNSS trong mọi mặt của đời sống. Kết hợp giữa công nghệ thông tin, hệ thống bản đồ số và thiết bị định vị vệ tinh đã tạo thành một hệ thống dẫn đường lý tưởng:
- Trong lĩnh vực hàng không, 100% các máy bay thương mại và quân sự sử dụng hệ thống dẫn đường tự động bằng GNSS.
- Trong giao thông, hệ thống giám sát dẫn đường và điều khiển giao thông cũng đã khai thác tuyệt đối thế mạnh của GNSS đã trở thành một hợp phần không thể thiếu trong công nghiệp ô tô, chẳng hạn như hệ thống định vị dẫn đường trong các thương hiệu xe hơi nổi tiếng như Mercedes, BMW, Porsche, Maybach, Cadillac, Audi, Roll Royce…
- Trong ngành đo đạc bản đồ, sự xuất hiện của GNSS đã thay đổi hoàn toàn phương pháp đo đạc truyền thống, không phụ thuộc vào thời tiết, không bị giới hạn bởi khoảng cách, giảm tối đa yêu cầu về nhân lực lao động.Với công nghệ GNSS, người sử dụng có được thông tin vị trí hiện tại, hướng di chuyển, độ cao hiện thời.
2.2.4.4. Các hệ thống GNSS
Khi nhắc đến định vị toàn cầu người ta thường nghĩ ngay đến “GPS” vì nó được sử dụng phổ biến nhất và rất nhiều lầm tưởng đó là hệ thống vệ tinh toàn cầu duy nhất trên thế giới, nhưng thực tế không phải vậy. GPS chỉ là 1 trong số các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, ngoài ra còn có GLONASS (Nga), GALILEO (Châu Âu), IRNSS (Ấn Độ), Bắc Đẩu của (Trung Quốc), QZSS (Nhật Bản).
- GPS (Mỹ): GPS là hệ thống định vị toàn cầu do Bộ quốc phòng Mỹ phát triển và vận hành. GPS là tên viết tắt của cụm từ “Global Positioning System”. Nó là một hệ thống bao gồm nhiều vệ tinh bay trên quỹ đạo phía
trên trái đất ở độ cao 20.200 km. Từ lúc GPS ra đời cho đến nay đã có nhiều vệ tinh được phóng lên nhưng không phải vệ tinh nào cũng thành công và còn hoạt động. Để đảm bảo sự hoạt động của các thiết bị định vị trên toàn cầu, Mỹ cam kết duy trì sự sẵn có của ít nhất 24 vệ tinh GPS hoạt động khoảng 95%
thời gian. Năm 2011 Mỹ cam kết duy trì sự sẵn có thêm 3 vệ tinh dự phòng nữa và hiện nay tổng cộng có ít nhất là 27 vệ tinh đang hoạt động liên tục.
Sự ra đời của GPS ban đầu nhằm mục đích phục vụ cho quân sự, sau này được mở rộng để sử dụng cho thiết bị dân sự. Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh. Điều này khiến GPS ngày càng trở nên phổ biến.
- GLONASS (Nga): Hệ thống GLONASS (Global Orbiting Navigation Satellite System, Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ đạo toàn cầu, tiếng Nga ГЛОНАСС: ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система;
Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema) do Liên bang Sô viết (cũ) thiết kế và điều hành.
Ngày nay hệ thống GLONASS vẫn được Nga duy trì hoạt động. Hệ thống GLONASS bao gồm 30 vệ tinh chuyển động trong ba mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 64.8 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 25.510 km (Yasuda, 2001). Tương tự như GPS, GLONASS được Bộ quốc phòng của Nga dùng làm hệ thống dẫn đường trong các môi trường đòi hỏi tốc độ cao như máy bay phản lực và tên lửa, sau này nó được mở rộng sang các thiết bị dân sự. Khi mới ra đời GLONASS sử dụng phương pháp truy cập đa tần FDMA (Frequency Division Multiple Access Method) để liên lạc với các vệ tinh (25 kênh cho 24 vệ tinh). Đây là giao thức phổ biến trong liên lạc vệ tinh nhưng có hạn chế là dễ bị nhiễu và gián đoạn. Bắt đầu từ năm 2008, GLONASS đã sử dụng CDMA (Code Division Multiple Access Technique) để mang đến khả năng tương thích với các vệ tinh GPS.
Chính vì sự tương thích này mà hiện nay hầu như các thiết bị định vị đều có tích hợp GLONASS kèm với GPS để tận dụng hết khả năng định vị của 2 hệ thống.
- GALILEO (Châu Âu): Cả hai hệ thống GPS và GLONASS được sử dụng chính cho mục đích quân sự. Đối với những người sử dụng dân sự có thể có sai số lớn nều như cơ quan điều hành GPS và GLONASS kích hoạt bộ phận gây sai số chủ định, ví dụ như SA của GPS. Do vậy Liên hợp Âu Châu (EU) đã lên kế hoạch thiết kế và điều hành một hệ thống định vị vệ tinh mới mang tên GALILEO, mang tên nhà thiên văn học GALILEO, với mục đích sử dụng dân sự.
Việc nghiên cứu dự án hệ thống GALILEO được bắt đầu triển khai thực hiện từ năm 1999 do 4 quốc gia Châu Âu Pháp, Đức, Italia và Anh Quốc. Giai đoạn đầu triển khai chương trình GALILEO bắt đầu năm 2003 và theo dự kiến sẽ hoàn thành và đưa vào sử dụng trong năm 2010 (chậm hơn so với thời gian dự định ban đầu 2 năm. GALILEO được thiết kế gồm 30 vệ tinh chuyển động trong 3 mặt phẳng quỹ đạo (nghiêng 56 độ so với mặt phẳng xích đạo) xung quanh trái đất với bán kính 29.980 km (Yasuda, 2001).
- BEIDOU – QZSS – IRNSS ( Châu Á): Để tránh lệ thuộc vào hệ thống định vị của nước khác, một số các quốc gia phát triển cũng tự xây dựng hệ thống định vị vệ tinh cho riêng mình chẳng hạn như:
+ Beidou (Bắc Đẩu) – là hệ thống định vị riêng của CHDNND Trung Hoa phát triển, phủ khắp ở châu Á và tây Thái Bình Dương.
+ IRNSS – Hệ thống định vị tại khu vực của Ấn Độ, hoạt động bắt đầu từ năm 2013, có độ phủ ở Ấn Độ và bắc Ấn Độ Dương.QZSS – Hệ thống định vị khu vực của Nhật Bản, phủ khắp châu Á và châu Đại Dương.
2.2.4.5. Công nghệ RTK
- RTK là tên viết tắt của cụm từ Real-Time Kinematic, nghĩa là kỹ thuật đo động thời gian thực. Về mặt nguyên tắc RTK rất tương tự như kỹ thuật GPS. Nói ngắn gọn công nghệ RTK là một phương pháp đo đạc hiện đại có độ chính xác cao và nhanh chóng bằng máy RTK. Công nghệ RTK (Real Time Kinematic) là một phương pháp đo đạc hiện đại có độ chính xác cao và nhanh chóng. RTK được ứng dụng trong nhiều công tác trắc địa: khảo sát địa hình, thành lập bản đồ địa chính, khảo sát giao thông, thủy ,lợi,...Trong công tác đo sâu: RTK cũng khẳng định được thế mạnh của công nghệ về tốc độ và độ chính xác.
- Một bộ máy RTK gồm 01 máy tĩnh (trạm BASE) đặt tại điểm gốc (điểm mốc địa chính nhà nước hoặc đường chuyền hạng IV trong công trình), được cài đặt tọa độ điểm gốc (VN-2000) và các tham số tính chuyển từ hệ toạ độ quốc tế WGS-84 về hệ toạ độ VN-2000, có thể một hay nhiều máy động (ROVER) đặt tại điểm cần xác định toạ độ. Cả hai loại máy đồng thời thu tín hiệu từ vệ tinh, riêng máy tĩnh có hệ thống Radio link liên tục phát ra tín hiệu cải chính giữa hệ toạ độ WGS-84 và hệ toạ độ VN-2000, các ROVER sẽ thu nhận tín hiệu cải chính này để cải chính tọa độ điểm cần xác định về hệ VN- 2000. Trên màn hình cửa sổ điện tử của ROVER liên tục thông báo kết quả độ chính xác, khi đạt được độ chính xác theo yêu cầu bấm OK để lưu kết quả vào sổ tay.
Số gia cải chính sẽ được phát ra và mang tới vị trí đặt các máy di động ROVER nhằm mục đích hiểu chỉnh vị trí các mát di động để đạt được độ chính xác cao.
Bộ phận phát mang số cải chính đi làm tín hiệu dạng sóng vô tuyến UHF (radio) công xuất 25W với 9 kênh tương ướng với các tần số khác nhau.
Phạm vi hoạt động của máy ROVER so với máy BASE lên tới 12km trong điều kiện thuận lợi.
Sai số của phương pháp đo nay có thể đạt được là:
+ Sai số vị trí điểm: 10mm + 1ppm Rms + Sai số cao độ: 20mm + 1ppm Rms
Dữ liệu đo đạc của phương pháp này là tọa độ và độ cao của điểm đo trong hệ thống tọa độ quốc gia VN-2000 hoàn toàn không phải sử lý gì thêm.
Hình 2.5. Một bộ máy RTK