Tài liệu ứng dụng công nghệ gps xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo đạc bản đồ địa chính cấp xã huyện vũ thư tỉnh thái bình

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ------------------ . BÙI NGỌC THẠCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐO ĐẠC BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH CẤP XÃ, HUYỆN VŨ THƯ, TỈNH THÁI BÌNH Chuyên ngành: Quản lý đất đai Mã số ngành: 60.85.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đàm Xuân Vận PHÒNG QLĐTS ĐH KHOA QLTN Thái Nguyên, 2016 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Nội dung đề tài này là những kết quả nghiên cứu, những ý tưởng khoa học được tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện. Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2016 Tác giả Bùi Ngọc Thạch ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được đề tài, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, khoa quản lý tài nguyên, cùng các thầy cô đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia khóa học của Trường. PGS. TS. Đàm Xuân Vận đã hết lòng quan tâm, trực tiếp hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đề tài. Thái Nguyên, ngày 03 tháng 11 năm 2016 Tác giả Bùi Ngọc Thạch iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1 2. Mục tiêu chung .......................................................................................................... 2 3. Mục tiêu cụ thể........................................................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 2 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 3 1.1. Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS .......................................................... 3 1.1.1. Khái niệm về GPS................................................................................................ 3 1.1.2. Các thành phần của GPS ...................................................................................... 3 1.1.3. Nguyên lý định vị GPS ........................................................................................ 6 1.1.4 . Các nguồn sai số trong định vị GPS ................................................................. 13 1.2.1. Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới ................................................................... 16 1.2.2 . Cơ sở toán học của lưới địa chính .................................................................... 16 1.2.3. Mật độ điểm khống chế ..................................................................................... 19 1.3. Công tác thành lập bản đồ địa chính ..................................................................... 20 1.3.1. Hệ thống lưới khống chế .................................................................................... 20 1.3.2. Lưới tọa độ địa chính đảm bảo độ chính xác diện tích thửa đất ........................ 27 1.3.3. Công tác thành lập bản đồ địa chính ........................................................ 27 1.4. Tình hình ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế .................. 29 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới trên thế giới ............................................................................................ 29 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới ở Việt Nam ................................................................................................ 31 Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 34 2.1. Đối tượng phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 34 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 34 iv 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 34 2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................. 34 2.2.1 Khái quát đặc điểm điều kiện tự nhiên, KTXH huyện Vũ Thư. ......................... 34 2.2.2 Thực trạng công tác đo đạc và thành lập bản đồ địa chính huyện Vũ Thư. ....... 34 2.2.3. Ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới địa chính phục vụ việc đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn của huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình (sơ đồ thiết kế, thiết bị đo, phương pháp đo, xử lý số liệu đo, mật độ điểm…) ............... 34 2.2.4 So sánh hai phương pháp đo động thời gian thực trong công nghệ GPS đo lưới kinh vĩ thay thế lưới kinh vĩ bằng máy toàn đạc điện tử. ........................ 34 2.2.5. Đánh giá và đề xuất giải pháp khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới địa chính của tỉnh Thái Bình. ................................................. 34 2.3. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 34 2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu............................................................................. 34 2.3.2. Phương pháp đo đạc thực nghiệm ..................................................................... 35 2.3.3. Phương pháp tổng hợp viết báo cáo................................................................... 37 2.3.4. Phương pháp xử lý số liệu, đánh giá kết quả ..................................................... 37 Chương 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................................... 38 3.1. Khái quát đặc điểm điều kiện tự nhiên, KTXH huyện Vũ Thư ............................ 38 3.1.1 Vị trí địa lý .......................................................................................................... 38 3.1.2. Đặc điểm tự nhiên .............................................................................................. 39 3.1.2.1. Địa hình ........................................................................................................... 39 3.1.2.2. Khí hậu ............................................................................................................ 39 3.1.2.3. Chế độ thuỷ văn .............................................................................................. 41 3.1.2.4. Đất ................................................................................................................... 41 3.1.2.5. Hệ thống giao thông ........................................................................................ 42 3.1.2.6. Yếu tố địa chính .............................................................................................. 43 3.1.3. Dân cư, kinh tế, xã hội ....................................................................................... 43 3.1.3.1. Dân số và lao động.......................................................................................... 43 3.1.3.2. Kinh tế ............................................................................................................. 44 3.1.3.3. Xã hội .............................................................................................................. 45 3.2. Thực trạng công tác đo đạc và thành lập bản đồ địa chính huyện Vũ Thư .......... 47 3.2.1. Tình hình tư liệu bản đồ phục vụ khảo sát, thiết kế lưới ................................... 47 3.2.2. Đánh giá độ chính xác lưới địa chính ................................................................ 48 v 3.3. Ứng dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới địa chính phục vụ việc đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn của huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình ............................. 50 3.3.1. Kết quả khảo sát thiết kế mạng lưới địa chính thành lập lưới địa chính huyện Vũ Thư Lập bằng Công nghệ GPS ................................................................ 50 3.3.2. Các yêu cầu kỹ thuật và qui trình tính toán bình sai lưới GPS .......................... 52 3.3.3. Kết quả tính bình sai lưới ................................................................................... 52 3.4. So sánh hai phương pháp đo động thời gian thực trong công nghệ GPS đo lưới kinh vĩ thay thế lưới kinh vĩ bằng máy đạc điện tử ................................ 61 3.4.1. Sử dụng công nghệ GPS đo động thời gian thực đo 8 điểm lưới khống chế đo vẽ tại xã Duy Nhất.................................................................................................... 61 3.4.2. Sử dụng công nghệ toàn đạc điện tử đo 8 điểm lưới khống chế đo vẽ tại xã Duy Nhất, huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình. .................................................... 63 3.4.3. Kết quả so sánh hai phương pháp đo động thời gian thực trong công nghệ GPS đo lưới kinh vĩ thay thế lưới kinh vĩ bằng máy toàn đạc điện tử ........... 64 3.4.4. Đánh giá ưu điểm, hạn chế của việc Ứng dụng GPS đo động thời gian thực và đề xuất số giải pháp một trong xây dựng lưới kinh vĩ ............................... 64 3.5. Đánh giá và đề xuất giải pháp khả năng ứng dụng công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới địa chính ở tỉnh Thái Bình ...................................................... 66 3.5.1. Đánh giá độ chính xác ....................................................................................... 66 3.5.2. Đề xuất quy trình và giải pháp ứng dụng công nghệ GPS trong việc xây dựng lưới địa chính ở tỉnh Thái Bình. ............................................................ 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 69 1. Kết luận .................................................................................................................... 69 2. Đề nghị ..................................................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 71 PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ BĐĐC : Bản đồ địa chính DOP : Dilution of Precision (Độ mất chính xác) GPS : Global Positioning System (Hệ thống định vị toàn cầu) GCNQSD : Giấy chứng nhận quyền sử dụng HDOP : Horizon Dilution of Precision (Độ mất chính xác theo phương ngang) PDOP : Position Dilution of Precision (Độ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D Ratio) Ratio : Tỉ số phương sai Reference Variance : Độ chênh lệch tham khảo RSM RSM : Sai số chiều dài cạnh VDOP : Vertiacal Dilution of Precision (Độ mất chính xác theo phương dọc) X, Y, h : Tọa Độ X, Y, độ cao thủy chuẩn tạm thời Mx, My, Mh : Sai số theo phương x, y h Mp : Sai số vị trí điểm vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các chỉ tiêu kỹ thuật về độ chính xác lưới địa chính .................................. 24 Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật lưới đường chuyền ............................................................ 26 Bảng 3.1. Một số yếu tố khí hậu của huyện Vũ Thư năm 2015 ................................. 41 Bảng 3.2: Dân số và lao động của huyện Vũ Thư năm 2012 – 2015 .......................... 43 Bảng 3.3. Tổng giá trị sản xuất theo các ngành qua một số năm ................................ 45 Bảng 3.4: Tọa độ và độ cao các điểm gốc ...................................................................... 49 Bảng 3.5: Bảng trị đo gia số tọa và các chỉ tiêu sai số ............................................... 53 Bảng 3.6: Bảng sai số khép hình.................................................................................. 54 Bảng 3.7: Bảng trị đo, số hiệu chỉnh và trị bình sai góc phương vị ........................... 55 Bảng 3.8: Bảng tọa độ vuông góc không gian sau bình sai ........................................ 56 Bảng 3.9: Bảng tọa độ trắc địa sau bình sai ................................................................ 57 Bảng 3.10: Bảng thành quả tọa độ phẳng và độ cao bình sai ..................................... 58 Bảng 3.11: Bảng chiều dài cạnh, phương vị và sai số tương hỗ ................................. 59 Bảng 3.12: Kết quả lưới kinh vĩ đo GPS động ..................................................................62 Bảng 3.13: Kết quả so sánh 2 phương pháp đo..................................................................64 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS ........................................................ 3 Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS ....................................................................................... 4 Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS .................................................................................. 5 Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS ......................................................................... 6 Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm................................................................. 7 Hình 1.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu ................................................................... 9 Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối ............................................................................... 10 Hình 1.8: Kỹ thuật định vị tương đối .............................................................................. 12 Hình 3.1. Vị trí địa lý huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình ................................................... 38 Hình 3.2 Sơ đồ lưới địa chính cụm 5 xã huyện Vũ Thư ................... 51 Hình 3.3. Sơ đồ lưới kinh vĩ đo bằng công nghệ GPS ..................... 62 Hình 3.4 Sơ đồ lưới kinh vĩ đo bằng máy toàn đạc điện tử .................. 63 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Phát triển và ứng dụng khoa học công nghệ trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, xã hội được coi là con đường nhanh nhất để rút ngắn thời gian thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Đây cũng chính là vấn đề đang được toàn Đảng, toàn dân hết sức quan tâm, khi mà khoa học công nghệ đang từng ngày mở rộng với sự phát triển của nền kinh tế tri thức trong thời đại mới, thời kỳ hội nhập. Hệ thống bản đồ địa chính và hồ sơ địa chính trên địa bàn huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình trước kia được thành lập theo hệ toạ độ HN-72, độ chính xác tài liệu bản đồ tuân thủ theo quy định của Quy phạm do Tổng cục Địa chính ban hành năm 1991. Hiện nay, yêu cầu đặt ra đối với công tác quản lý đất đai là sử dụng tài nguyên đất một cách hợp lý và hiệu quả nhất nhằm đảm bảo tốt các mục tiêu phát triển kinh tế và công bằng xã hội, tài nguyên đất được bảo vệ tốt. Vì vậy, xây dựng một hệ thống quản lý đất đai hiện đại là một nhiệm vụ cần thiết nhằm bảo vệ môi trường. Một hệ thống quản lý đất đai hiện đại sẽ đảm bảo quyền lợi hợp lý của nhà nước, nhà đấu tư và người sử dụng đất cũng như mọi thành phần có liên quan. Hệ thống hồ sơ địa chính gồm bản đồ địa chính và hệ thống sổ sách địa chính đi kèm phải được thiết lập cho từng thửa đất. Người sử dụng đất được cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất là điều kiện tối thiểu để đưa pháp luật đất đai vào cuộc sống, khắc phục tình trạng vi phạm pháp luật về đất đai, sử dụng đất không hiệu quả gây lãng phí cho xã hội. Để thực hiện công tác đo đạc bổ xung, chỉnh lý cập nhật bản đồ địa chính việc đầu tiên cần tiến hành xây dựng mạng lưới khống chế từ các điểm Địa chính cơ sở xuống các điểm địa chính cấp I, cấp II, từ đó thành lập lưới đo vẽ và tiến hành chi tiết đo bản đồ. Ngày nay lưới địa chính cấp I và cấp II được xây dựng đồng thời không phân cấp (gọi chung là lưới địa chính) đối với hệ thống lưới đo vẽ hầu như sử dụng phương pháp đường chuyền, gần đây có một số đơn vị sử dụng phương pháp định vị GPS. Như vậy nhu cầu đặt ra là cần xây dựng hệ thống lưới khống chế thống nhất trên toàn bộ khu vực, các điểm lưới thiết kế trải 2 đều đảm bảo độ chính xác và thuận lợi cho công tác phát triển lưới khống chế đo vẽ tiếp theo. Xuất phát từ thực tiễn đó, được sự hướng dẫn của PGS.TS. Đàm Xuân Vận tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo đạc bản đồ địa chính cấp xã, huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình”. 2. Mục tiêu chung Ứng dụng công nghệ GPS vào xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo đạc thành lập bản đồ địa chính cấp xã của huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình. 3. Mục tiêu cụ thể - Ứng dụng công nghệ GPS trong xây dựng thành lập lưới khống chế phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính tại cấp xã thuộc huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình. - Đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp ứng dụng phương pháp đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế ở khu vực huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Dựa trên công nghệ GPS để xây dựng hệ thống lưới địa chính thay thế cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần đưa công nghệ mới vào sản xuất nhằm nâng cao độ chính xác, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong thực tế sản xuất khi xây dựng lưới khống chế trắc địa nói chung và lưới khống chế địa chính ở huyện Vũ Thư, tỉnh Thái Bình nói riêng. 3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS 1.1.1. Khái niệm về GPS Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh để cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết.[1] Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS (Theo tài liệu Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15] 1.1.2. Các thành phần của GPS GPS gồm 3 đoạn: đoạn không gian, đoạn điều khiển và đoạn người sử dụng.  Đoạn không gian ( Space Segment ) - Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay đã có 31 vệ tinh bay xung quanh Trái đất trên 6 quỹ đạo gần tròn cách đều nhau, với độ cao khoảng 20.200km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút. [10] - Chức năng chính của các vệ tinh là: + Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển. + Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh. 4 + Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2. - Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao cỡ 10 -12. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz và từ đây tạo ra các sóng tải tần số L1=1575,42 MHz và L2=1227,60 MHz. Để giảm ảnh hưởng của tầng điện ly người ta sử dụng hai tần số. - Để phục vụ cho các mục đích và đối tượng khác nhau, các tín hiệu phát đi được điều biến mang theo các code riêng biệt đó là: C/A- Code, P-Code và Y- Code. + C/A-Code (Coarse/Acquisition Code) là code thô được sử dụng rộng rãi. C/A Code có tính chất code tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu mang code này có tần số thấp (1.023 MHz). C/A Code chỉ điều biến sóng tải L1. + P-Code (Precision Code) là code chính xác được sử dụng cho các mục đích quân sự của Mỹ và chỉ dùng cho các mục đích khác khi được phía Mỹ cho phép. PCode điều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên. + Y-Code là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chiếc, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới có khả năng này. Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS 5 (Theo tài liệu Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15]  Đoạn điều khiển (Control Segment) Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii (Thái Bình Dương), Colorado Springs (Căn cứ không quân Mỹ), Ascension Island (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương) và Kwajalein (Thái Bình Dương). Nhiệm vụ của đoạn điều khiển là điều khiển toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh trên cơ sở theo dõi chuyển động quỹ đạo của các vệ tinh và hoạt động của đồng hồ trên đó. Tất cả các số liệu đo khoảng cách, sự thay đổi khoảng cách, các số liệu đo khí tượng ở mỗi trạm đều được truyền về trạm trung tâm. Trạm trung tâm xử lý các số liệu được truyền từ các trạm theo dõi và số liệu đo của chính nó để cho ra các ephemerit chính xác hoá của vệ tinh và số hiệu chỉnh cho các đồng hồ vệ tinh. Các số liệu này được truyền trở lại cho các trạm theo dõi và từ đó truyền tiếp lên cho các vệ tinh cùng các lệnh điều khiển khác. [10] Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS [18]  Đoạn sử dụng (User Segment) Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm. 6 - Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để khai thác, sử dụng cho các mục đích, yêu cầu khác nhau của khách hàng. - Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ của máy thu. Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS (Theo tài Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS) [15] Các thiết bị sử dụng Máy đo lưới địa chính theo công nghệ GPS là máy thu tín hiệu vệ tinh 1 hoặc 2 tần số (Trimble Navigation 4000SE, 4000SSE, 4600LS, 4800LS hoặc máy 9600 của hăng South Trung Quốc; máy X20, X90 của hăng Huace Trung Quốc và các loại máy có độ chính xác tương đương khác). Máy đo lưới kinh vĩ, đo chi tiết bản đồ địa chính là máy toàn đạc điện tử TS02 của hãng Leica Thụy sỹ …[10] 1.1.3. Nguyên lý định vị GPS 1.1.3.1. Các đại lượng đo Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code và Pcode) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2. [1] 7  Đo khoảng cách giả theo C/A-code và P-code Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của máy thu). Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tín hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả. [15] 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1  1 0 1 0 Code chuyền từ vệ tinh 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 Code thu được Code do máy thu tạo ra  t Hình 1.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [15] Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là xs, ys, zs; tọa độ của điểm xét (máy thu) là x,y,z; thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là t, khoảng cách giả đo được là R, ta có phương trình: R  c(t  t )  ( xs  x) 2  ( y s  y) 2  ( z s  z) 2  ct (1. 1) Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu. Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh hưởng 8 của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code sẽ ở mức 100 m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được 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 khoảng 3m, tức là hầu như không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách hàng đại trà. Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000. [9]  Đo pha sóng tải Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra. Hiệu số pha do máy thu đo được ta ký hiệu là  (0<<2). Khi đó ta có thể viết:  2  ( R  N  ct ) (1. 2) Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;  là bước sóng của sóng tải; N là số nguyên lần bước sóng  chứa trong R, N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần phải xác định trong thời gian đo; t là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu; Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải L2 cho độ chính xác thấp hơn, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1 tạo ra khả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa trị được đơn giản hơn. [13] 9 Hình 1.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu (Theo tài liệu Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [15] 1.1.3.2. Định vị tuyệt đối (point positioning) Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ của điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ trắc địa mặt cầu (B,L,H). Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này. Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh. Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh và máy thu. Khi đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số, nên khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy thu. Để khắc phục 10 tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình: (XS1- X)2 +(YS1- Y)2 +(ZS1- Z)2 = (R1-ct)2 (XS2- X)2 +(YS2- Y)2 +(ZS2- Z)2 = (R2-ct)2 (XS3- X)2 +(YS3- Y)2 +(ZS3- Z)2= (R3-ct)2 (1.3 ) (XS4- X)2 +(YS4- Y)2 +(ZS4- Z)2 = (R4-ct)2 Với khoảng cách giả đo đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu chúng ta sẽ lập được hệ phương trình dạng (1.3) với 4 ẩn số (X, Y, Z, t). Giải hệ phương trình trên chúng ta tìm được tọa độ tuyệt đối của máy thu và số hiệu chỉnh đồng hồ của máy thu. [15] Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó số lượng phương trình sẽ lớn 4 và nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất. Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối [20] 1.1.3.3. Định vị tương đối (Relative Positioning) Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian (X, Y, 11 Z) hay hiệu tọa độ trắc địa mặt cầu (B, L, H) giữa chúng trong hệ tọa độ WGS-84. Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết quả xác định hiệu tọa độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị,... Ta ký hiệu rj(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r vào thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được biểu diễn như sau: 1j(ti)= 2j(ti)- 1j(ti) (1.4) Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh. Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời điểm ti, ta có phân sai bậc hai: 2j,k(ti)= 1k(ti)- 1j(ti) (1.5) Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu. Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào thời điểm ti và ti+1, ta sẽ có phân sai bậc ba: 3j,k = 2j,k(ti+1)- 2j,k(ti) (1.6) Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị. Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 32 vệ tinh hoạt động. Do vậy, tại mỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách tổng hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín hiệu trong đo tương đối thường khá dài vì vậy số lượng trị đo để xác định ra hiệu tọa độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp số bình phương nhỏ nhất. [15]