9/8/2013
1
BÀI GiẢNG
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
Chương 1: Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, bài
toán cơ bản của trắc địa vệ tinh
Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của GPS
Chương 3: Nguyên lý định vị bằng GPS
Chương 4: Tổ chức thực hiện đo GPS
Chương 5: Các ứng dụng GPS trong trắc địa
Chương 1
HỆ QUY CHIẾU VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA
1.1 HỆ QUY CHIẾU VÀ HỆ TỌA ĐỘ
Xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia là một việc
quan trọng đối với mỗi quốc gia.
+ Là cơ sở toán học mang tính chuẩn để
thể hiện chính xác các thể loại bản đồ
nhằm mô tả trung thực các thông tin
điều tra cơ bản của đất nước.
+ Đóng vai trò hạt nhân trong hệ thống
quản lý hành chính lãnh thổ, phục vụ
giải quyết tốt các vấn đề phân định và
quản lý biên giới quốc gia, địa giới
hành chính các cấp cũng như ranh giới
của từng thửa đất.
Vai trò
của hệ
quy
chiếu
và hệ
toạ độ
quốc gia
Vì vậy, việc xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ
quốc gia cần có tiếng nói chung của các ngành vì đây
là một hệ thống đa mục tiêu.
+ Hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia phải đáp
ứng cho hoạt động của các ngành nhằm phát
triển kinh tế như nghiên cứu vật lý trái đất, quan
trắc hoạt động vỏ trái đất, đảm bảo hàng hải,
dẫn đường hàng không, bố trí xây dựng các
công trình, quan trắc độ biến dạng công trình,
quản lý các mạng lưới hoạt động kinh tế theo
lãnh thổ.
+ Hệ thống này còn có vai trò quan trọng trong
các hoạt động đảm bảo an ninh - quốc phòng.
Vai trò
của hệ
quy
chiếu
và hệ
toạ độ
quốc gia
Xác định hệ quy chiếu
Xác định hệ quy chiếu tức là xác định gốc toạ độ và hệ
trục cơ sở toạ độ để dựa vào đó có thể biểu diễn được
tất cả các điểm trong không gian.
Một hệ quy
chiếu được
gọi là phù
hợp với
phạm vi lãnh
thổ đang xét
nếu đạt
được 3 tiêu
chuẩn sau:
- Có độ lệch nhỏ nhất theo một nghĩa
toán học nào đó giữa mô hình toán học
và không gian vật lý của thế giới thực.
. - Thuận tiện sử dụng trong thực tiễn
có lưu ý tới các tập quán hình thành
từ lịch sử và tính phổ cập trên thế giới.
- Dễ dàng tính toán chuyển đổi với các
hệ quy chiếu đang sử dụng mà đặc
biệt là hệ quy chiếu toàn cầu hiện hành
Bài toán
xác định
hệ quy
chiếu và
hệ toạ độ
được
đưa về
dạng cơ
bản là:
1. Xác định một Ellipxoid quy chiếu có kích
thước phù hợp (bán trục lớn a và bán trục nhỏ
b, hoặc bán trục lớn a và độ dẹt f=(a-b)/a)
được định vị phù hợp trong không gian thông
qua việc xác định toạ độ tâm của Ellipxoid
(X0, Y0, Z0) trong hệ toàn cầu.
2. Xác định phép biến đổi phù hợp từ hệ quy
chiếu mặt Ellipxoid về hệ quy chiếu mặt
phẳng để thành lập hệ thống bản đồ cơ bản
quốc gia bao gồm cả hệ thống phân chia
mảnh và danh pháp từng tờ bản đồ theo từng
tỷ lệ.
3. Xử lý toán học chặt chẽ lưới các điểm toạ
độ bao gồm tất cả các loại trị đo có liên quan
sao cho đảm bảo độ chính xác cao nhất.
Các hệ quy chiếu và hệ toạ độ ở nước ta
.
Khi mới đặt chân đến Việt nam Pháp đã tiến hành ngay việc
xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia với ellipsoid Clarke,
điểm gốc tại Hà nội, lưới chiếu toạ độ phẳng Bonne và lưới các
điểm toạ độ cơ sở phủ trùm cả Đông Dương
Mỹ đặt chân tới Miền Nam nước ta cũng đã xây dựng ngay hệ
quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia với ellipsoid Everest, điểm gốc
tại Ấn độ, lưới chiếu toạ độ phẳng UTM và lưới các điểm toạ độ
cơ sở phủ trùm toàn Miền Nam
Năm 1954 Chính phủ ta đã quyết định thành lập Cục Đo đạc và
Bản đồ Nhà nước có nhiệm vụ chính trong giai đoạn đầu là xây
dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ với ellipsoid Krasovski, điểm gốc
theo hệ thống Xã hội chủ nghĩa, lưới chiếu toạ độ phẳng Gauss
và lưới các điểm toạ độ cơ sở có độ chính xác cao phủ trùm toàn
Miền Bắc. Chúng ta gọi hệ Quy chiếu này là hệ Hà nội - 72.
9/8/2013
2
1.2 HỆ TỌA ĐỘ VN-2000
1.2.1 Bài toán xác định hệ quy chiếu và hệ toạ độ
quốc gia
Để xác định
một hệ quy
chiếu hợp lý
cho Việt
Nam chúng
ta cần thống
nhất một số
nguyên tắc
để lựa chọn
như sau:
- Đảm bảo tính phù hợp nhất
với lãnh thổ nước ta;
- Đảm bảo độ chính xác cao
nhất trong khả năng có thể;
- Đáp ứng cho nhiều mục tiêu
dân sự và quân sự khác nhau
(bản đồ, dẫn đường, nghiên
cứu trái đất, v.v.);
Để xác định
một hệ quy
chiếu hợp lý
cho Việt
Nam chúng
ta cần thống
nhất một số
nguyên tắc
để lựa chọn
như sau:
- Đảm bảo tính phù hợp có thể
chuyển đổi được với hệ quy
chiếu quốc tế và khu vực;
- Đảm bảo tính bảo mật của số
liệu toạ độ Nhà nước;
- Đảm bảo tính thuận tiện cho
chỉnh lý các loại tư liệu đo đạc
bản đồ hiện có theo hệ quy chiếu
mới được lựa chọn.
1.2.1 Bài toán xác định hệ quy chiếu và hệ toạ
độ quốc gia
1.2.2 Định vị ellipsoid quy chiếu phù hợp tại Việt
nam
Định vị ellipsoid quy chiếu là việc xác định
vị trí một ellipsoid phù hợp nhất theo một
nghĩa nào đó với bề mặt Geoid tại địa
phương để quy chiếu các trị đo và toạ độ.
Tính phù hợp thường được hiểu theo
nghĩa là độ lệch giữa ellipsoid quy chiếu
và Geoid trên địa phương đó là nhỏ
nhất, thường có dạng:
K
1i
2
imin
Ellipsoid
quy chiếu
phù hợp tại
Việt nam
Thực tế
công tác
định vị
Ellipsoid
quy chiếu
WGS-84
tại Việt
Nam như
sau:
Sử dụng 25 điểm cơ sở định vị (tại đó có
toạ độ không gian X, Y, Z xác định theo
GPS và có độ cao thuỷ chuẩn) phân bố
đều trên lãnh thổ chúng ta có thể đảm
bảo được độ chính xác cần thiết để xác
định ellipsoid quy chiếu.
Phân tích kết quả định vị Ellipsoid Quy
chiếu WGS 84 có thể khẳng định
ellipsoid này có kích thước khá phù hợp
với lãnh thổ Việt nam, độ cao cực đại
của Geoid là 3,310 m, trung bình là
1,614 m.
Hệ Quy chiếu được định vị này mang tên
là Hệ Quy chiếu VN-2000.
1.2.3 Lựa chọn lưới chiếu toạ độ phẳng phù hợp cho
Việt nam
Lưới chiếu toạ độ phẳng là một phép biến đổi toán học để
chuyển các yếu tố hình học trên mặt Ellipssoid về mặt phẳng;
Lưới chiếu toạ độ phẳng cơ bản của một nước là một thành
phần của hệ quy chiếu Quốc gia được sử dụng vào mục đích
chuyển hệ thống toạ độ về mặt phẳng;
Nước ta là đất nước có dạng chạy dài theo kinh tuyến nên
việc lựa chọn lưới chiếu trụ ngang đồng góc làm lưới chiếu
toạ độ phẳng cơ bản là phù hợp;
Trong số các lưới chiếu này chỉ có 2 loại được sử
dụng phổ biến là lưới chiếu UTM và Gauss-Kruger
Việc lựa
chọn hệ
quy
chiếu
hợp lý
cho Việt
nam đã
thống
nhất về
mặt
nguyên
tắc là:
Hệ quy chiếu cho Việt nam cần
phải là một hệ phù hợp nhất với
lãnh thổ và đảm bảo công cụ để
chuyển chính xác sang hệ quốc tế
khi có nhu cầu
Phù hợp với tập quán sử dụng ở
Việt Nam và tương đồng với các
chuẩn mực quốc tế, phải đảm bảo
tính bảo mật quốc gia và có khả
năng hoà nhập với quốc tế khi cần
thiết
9/8/2013
3
Kết
luận
lựa
chọn
cụ thể
là:
Ellipsoid quy chiếu - WGS-84;
Giá trị toạ độ điểm gốc - xác định theo kết
quả định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam;
Hệ thống toạ độ phẳng - Lưới chiếu trụ
ngang đồng góc UTM với múi chiếu 6o và
ko=0,9996 cho bản đồ các tỷ lệ từ 1/10.000
tới 1/500.000,
Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi
chiếu 3o và ko=0,9999 cho bản đồ các tỷ lệ
từ 1/2.000 tới 1/5.000, chia mảnh và danh
pháp bản đồ như hệ thống hiện hành có chú
thích thêm danh pháp theo hệ quốc tế
1.2.4 Hệ tọa độ Quốc gia Việt Nam VN-2000
Hệ tọa độ VN-2000 được Thủ tướng Chính phủ quyết
định là hệ là hệ tọa độ Trắc địa-Bản đồ Quốc gia Việt Nam
và có hiệu lực từ ngày 12/8/2000
Hệ
tọa
độ
này
có
các
đặc
điểm
Sử dụng Elipxoid WGS-84 (World Geodesic
System 1984) làm Elip thực dụng, Elip này
có bán trục lớn a = 6378137, độ det α =
1:298,2
Sử dụng phép chiếu và hệ tọa độ vuông góc
phẳng UTM
Gốc tọa độ trong khuôn viên Viện Công
nghệ Địa chính, Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
Dùng tâm trái đất làm tâm chiếu, lần lượt
chiếu từng múi lên mặt trụ theo nguyên lý của
phép chiếu xuyên tâm. Sau khi chiếu, khai
triển mặt trụ thành mặt phẳng
Phép chiếu UTM có ưu điểm là độ biến
dạng được phân bố đều và có trị số nhỏ; mặt
khác hiện nay để thuận tiện cho việc sử dụng
hệ tọa độ chung trong khu vực và thế giới Việt
Nam đã sử dụng lưới chiếu này trong hệ tọa
độ Quốc gia VN-2000 thay cho phép chiếu
Gauss-Kruger trong hệ tọa độ cũ HN-72.
Hệ
tọa
độ
này
có
các
đặc
điểm
1.4 CÁC BÀI TOÁN VÀ CÁC NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ VỆ TINH
.
1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NHIỆM VỤ CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH
Trắc địa vệ tinh là môn khoa học nghiên cứu việc ứng dụng
các kết quả quan sát vệ tinh nhân tạo hoặc vệ tinh tự nhiên
của Trái đất để giải quyết các nhiệm vụ khác của trắc địa
Để giải quyết các nhiệm vụ xác định vị trí điểm trên
bề mặt trái đất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta đưa ra
hai nguyên tắc đó là nguyên tắc hình học và nguyên
tắc động học
Bằng cách này người ta có thể xác định được vị trí
điểm quan sát trên mặt đất mà không cần biết vị trí
chính xác của vệ tinh.
Các vệ tinh này được gọi là các vệ tinh thụ động và
bài toán xác định trong trường hợp này được giải
quyết theo nguyên tắc hình học nên gọi là bài toán
hình học.
Nguyên
tắc hình
học
Thời điểm ban đầu người ta đưa lên quỹ đạo
một số vệ tinh nhân tạo đóng vai trò như những
mục tiêu di động phát sáng hoặc được chiếu sáng,
nhờ đó các trạm quan sát trên mặt đất có thể ghi
nhận được vị trí bằng chụp ảnh vệ tinh trên nền sao
Nguyên
tắc
động
học
Các vệ tinh này được gọi là các vệ tinh chủ
động và bài toán định vị trong trường hợp này
được giải quyết theo nguyên tắc động học gọi
là bài toán động học.
Thời gian sau này, nhờ sự phát triển của kỹ
thuật điện tử, các vệ tinh được trang bị nguồn
phát tín hiệu vô tuyến, gương phản chiếu
laser, đồng hồ chính xác…
Trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo
người ta có thể xác định được vị trí chính xác
của các vệ tinh (trong hệ tọa độ) từ đó có thể
xác định được vị trí của các trạm thu tín hiệu
từ các vệ tinh
9/8/2013
4
Để duy trì hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh theo nguyên tắc
động học, mạng lưới các trạm quan trắc của đoạn điều khiển phải liên
tục quan trắc đến các vệ tinh là cơ sở để xác định các tham số trường
trọng lực trái đất
Từ đó có thể cung cấp cho người sử dụng các tham số quỹ đạo
chuyển động của các VTNT trong môi trường có nhiễu để thực hiện
công tác định vị điểm trên mặt đất hoặc trong không gian
Bản chất của định vị vệ tinh theo nguyên tắc động học, tọa độ vệ tinh
xác định trên quỹ đạo (tại một thời điểm nào đó) là các số liệu gốc từ
đó chúng ta xác định được vị trí các điểm quan sát trên bề mặt trái
đất thông qua các trị đo đến vệ tinh
Các vệ tinh của hệ thống TRANSIT, GPS, GLONASS, GALILEO thuộc
nhóm vệ tinh chủ động.
Các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo chịu tác động của trọng
trường trái đất, lực tác dụng của các thiên thể khác như mặt trăng,
mặt trời…việc xác định tọa độ tuyệt đối của các vệ tinh trên quỹ đạo
theo thời gian trong hệ tọa độ trái đất là khá phức tạp.
Trong định vị bằng VTNT có 2 phương pháp định
vị là:
+ Phương pháp định vị tuyệt đối
là xác định vị trí tuyệt đối của
điểm quan sát trong hệ tọa độ.
R = r – ρ O
r
R
ρ
M
S
+ Phương pháp định vị tương đối
là xác định hiệu tọa độ (vị trí tương
đối) của hai hoặc nhiều điểm quan
sát trong cùng hệ tọa độ.
R1 = r – ρ1 R2 = r – ρ2
suy ra ΔR = ρ2 - ρ1 O
r
ρ1
M1
S
ρ2
M2
1.5 PHƯƠNG PHÁP QUAN SÁT VỆ TINH NHÂN TẠO
Các phương pháp quan sát vệ tinh nhân tạo được chia
làm 2 nhóm: nhóm quang học và nhóm vô tuyến điện tử
Nhóm quang học: bao gồm các phương pháp quan
sát trực tiếp, chụp ảnh quan sát bằng quang điện tử và
laser.
Phương pháp quan sát trực tiếp cho độ chính xác
thấp, không được sử dụng trong công tác trắc địa.
Trước đây phương pháp chụp ảnh được sử dụng khá
rộng rãi để quan sát các vệ tinh nhân tạo. Thực chất của
phương pháp này là chụp ảnh vệ tinh trên nền trời sao, từ
vị trí của các sao cơ bản sẽ tính ra vị trí của vệ tinh.
Nhóm vô tuyến điện tử: bao gồm các phương
pháp giao thoa, phương pháp đo khoảng cách…
1.5.1 Đo hướng đến VTNT bằng chụp ảnh trên nền
trời sao
Phương pháp này sử dụng các camera để chụp
ảnh như: Wild BC – 4, Baker – Nunn, BAY, SBG…
Các camera có tiêu cự từ 250 – 964 mm, góc
mở ống kính lớn, và dùng phim có độ nhạy cao để
chụp ảnh vệ tinh.
Trong mỗi một vệt bay của VTNT chụp được
nhiều ảnh mà trong tấm ảnh nào vị trí của vệ tinh
cũng nằm ở vùng trung tâm tấm ảnh. Ngoài ra
camera được gắn cửa chớp có cấu tạo đặc biệt có
thể ghi được thời gian chụp ảnh với đ.c.x 10-3 s
Dựa vào lịch sao và thời gian chụp ảnh ta sẽ có
tọa độ các sao được chọn làm các sao cơ sở. Trên
cơ sở tọa độ phim ảnh, từ quan hệ giữa tọa độ sao
cơ sở và tọa độ vệ tinh người ta sẽ tính được tọa
độ thiên văn của các VTNT. Từ đó sẽ xác định được
hướng từ điểm quan sát đến VTNT
Phương pháp này cho độ chính xác xác định
hướng từ điểm quan sát đến VT đạt từ 0,4 – 0,5s
9/8/2013
5
.2 Đo
khoảng
cách điện
tử đến
VTNT
Phương pháp này tín hiệu tại trạm phát đi
được điều biến theo pha. Tín hiệu nhận
được từ vệ tinh ở dạng xung truyền thẳng,
thực chất là chuyển tiếp tín hiệu pha đã điều
biến với tần số không thay đổi. Trạm mặt đất
sẽ thu được tín hiệu, khi đó sự dịch chuyển
pha sẽ được đo bằng máy đo pha, nhờ đó sẽ
tính được khoảng cách;
Để tăng trị đo khi trạm mặt đất phát đi sóng
điện từ vệ tinh thu được sẽ tạo 4 sóng điều
biến rồi phát trở lại trạm mặt đất nhờ thiết bị
thu và phản hồi đặt trên vệ tinh, như vậy mỗi
lần sẽ đo được 4 khoảng cách nhờ đó độ
chính xác định vị sẽ được tăng lên đáng kể;
1.6 CÁC HỆ TỌA ĐỘ
Vị trí của các điểm trên mặt đất, trong không
gian đều được biểu thị bằng giá trị tọa độ trong một
hệ tọa độ nào đó. Các hệ tọa độ khác nhau cho các
tham số tọa độ khác nhau như gốc tọa độ, các trục
tọa độ.
1.6.1 Hệ tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z)
- Gốc tọa độ 0 ở trọng tâm trái đất;
- Trục Z trùng với trục quay của quả đất;
- Trục X hướng từ tâm trái đất đến điểm giao giữa
mặt phẳng xích đạo và kinh tuyến gốc;
- Trục Y vuông góc với trục X và Z.
1.6.2 Hệ tọa độ địa lý (φ, λ, H)
1.6.3 Hệ tọa độ trái đất thực dụng
Hệ tọa độ trái đất trình bày ở trên có gốc tọa độ
trùng với trọng tâm của trái đất điều này chỉ đúng khi
đi đôi với Elipxoid chung của trái đất;
Trong thực tế tại mỗi quốc gia người ta sử dụng
hệ quy chiếu riêng gọi là hệ tọa độ thực dụng;
Để thiết lập hệ tọa độ thực dụng người ta định vị
Elipxoid (có hình dạng và kích thước đã biết) phù
hợp với lãnh thổ của quốc gia đó.
Như vậy mỗi hệ tọa độ thực dụng sẽ dựa trên
Elipxoid có tâm không trùng với trọng tâm trái đất và
thậm chí các trục tọa độ của Elipxoid này cũng
không hoàn toàn song song với các trục tọa độ của
Ellipxoid chung của trái đất;
Từ thực tế trên sẽ nảy sinh các bài toán chuyển
đổi tọa độ giữa hệ tọa độ trái đất chung và hệ tọa độ
trái đất địa phương hoặc giữa các hệ tọa độ trái đất
địa phương với nhau;
Để có thể tính chuyển tọa độ giữa các hệ tọa độ
này cần phải biết các tham số tính chuyển đó là 2
tham số hình dạng kích thước của Ellipxoid, 7 tham
số chuyển tọa độ không gian bao gồm 3 giá trị lệch
gốc tọa độ, 3 góc xoay của các trục tọa độ và hệ số
tỷ lệ dài m
1.7 LỊCH VỆ TINH
Lịch vệ tinh (Ephemeris) là một tập hợp số liệu thể
hiện vị trí của vệ tinh dưới dạng hàm của thời gian;
Mỗi vệ tinh GPS theo chu kỳ phát đi (đến máy thu)
lịch vệ tinh quảng bá, cùng với thông tin đạo hàng,
trong đó thể hiện vị trí dự báo vệ tinh ở thời gian gần,
được chuyển lên bởi đoạn điều khiển;
Các chương trình xử lý sau cũng có thể sử dụng
lịch vệ tinh chính xác trong đó thể hiện vị trí chính xác
của vệ tinh trên quỹ đạo.
Số liệu trong lịch vệ tinh cho phép xác định tức thời
các vectơ vị trí và tốc độ của các vệ tinh trong hệ tọa độ
trái đất
Các số liệu lịch vệ tinh bao gồm:
+ Lịch vệ tinh dự báo (Almanac)
+ Lịch vệ tinh quảng bá (broadcast ephemeris)
+ Lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris)
Các số liệu trên khác nhau về độ chính xác, cụ thể:
Loại lịch
Sai số định vị
Ghi chú
Dự báo
Vài km
Phụ thuộc vào tuổi
của số liệu
Quảng bá (có SA)
2 – 50 m
Phụ thuộc vào mức
độ nhiễu SA
Quảng bá (không
có SA)
2 - 5 m
Chính xác
Nhỏ hơn 0,5 m