Luận văn Thạc sĩ Quản lý đất đai: Ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm 7 xã, thị trấn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm ứng dụng được hệ thống định vị toàn cầu để xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính tại cụm 7 xã, thị trấn huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa gồm; xã Nguyên Bình, Hải Hòa, Hải Nhân, Hải Thanh, Phú Lâm, Phú Sơn và thị trấn Tĩnh Gia. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Quản lý đất đai: Ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm 7 xã, thị trấn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM LÊ NGỌC BÌNH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH CỤM 07 XÃ, THỊ TRẤN, HUYỆN TĨNH GIA, TỈNH THANH HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM LÊ NGỌC BÌNH ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU XÂY DỰNG LƯỚI ĐỊA CHÍNH CỤM 07 XÃ, THỊ TRẤN, HUYỆN TĨNH GIA, TỈNH THANH HÓA Ngành: Quản lý đất đai Mã số: 8.85.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần Văn Điền Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, hầu hết những kiến thức mà tôi nêu trong bài tiểu luận là từ thực tế, và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn nên em đã hoàn thành được bài tiểu luận của mình. Tôi xin cam đoan bài tiểu luận này là do tôi viết, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Thanh Hóa, ngày .... tháng ... năm 2019 Tác giả luận văn Lê Ngọc Bình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nhân dịp hoàn thành luận văn, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc PGS.TS Trần Văn Điền đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi cũng xin cảm ơn sự góp ý chân thành của các thầy, cô giáo khoa Quản lý Tài nguyên, trường Đại học Nông Lâm, Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ, công chức Đoàn đo đạc bản đồ và quy hoạch Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận văn./. Thanh Hóa, ngày ..... tháng ..... năm 2019 Tác giả luận văn Lê Ngọc Bình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU.................................................................................... 2 3. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI......................................................................................... 2 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ........................................... 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. Các đại lượng đo ............................................................................................... 6 2.1.4. Nguyên lý định vị GPS ..................................................................................... 8 1.1.5. Các nguồn sai số trong định vị GPS ............................................................... 12 1.1.6. Ưu điểm của phương pháp định vị GPS ......................................................... 14 1.1.7. Tọa độ và hệ quy chiếu ................................................................................... 15 1.2. Thiết kế lưới địa chính bằng công nghệ GPS .................................................... 15 1.2.1. Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới ................................................................ 15 1.2.2. Cơ sở pháp lý của việc xây dựng lưới ............................................................. 16 1.2.3. Cơ sở toán học của lưới địa chính ................................................................... 17 1.2.4. Lưới địa chính ................................................................................................. 19 1.2.5. Mật độ điểm khống chế ................................................................................... 20 1.3. Ứng dụng công nghệ GPS trong trắc địa ở Việt Nam và trên thế giới .............. 21 1.3.1. Tại Việt Nam ................................................................................................... 21 1.3.2. Trên thế giới .................................................................................................... 22 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, THỜI GIAN, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................... 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
iv 2.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................... 24 2.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu ......................................................................... 24 2.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 24 2.4. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 24 2.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp ............................................................ 24 2.4.3. Phương pháp thi công lưới địa chính bằng công nghệ GNSS ........................ 25 2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu đo bằng phần mềm Compass, kết hợp với phần mềm DPSurvey 2.8 ................................................................................ 26 2.4.5. Phương pháp kiểm tra lưới bằng phần mềm Trimble Business Center (TBC). ....... 26 2.4.6. Phương pháp phân tích, so sánh ...................................................................... 26 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 27 3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế, - xã hội của cụm 7 xã, thị trấn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa ......................................................................................... 27 3.1.1. Đặc điểm tình hình, điều kiện tự nhiên ........................................................... 27 3.1.2. Đặc điểm kinh tế và xã hội .............................................................................. 31 3.1.3 Thực trạng công tác đo đạc bản đồ địa chính trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa .............. 32 3.2. Xây dựng lưới địa chính cụm 7 xã, thị trấn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa ........... 33 3.2.1. Quy trình xây dựng lưới địa chính .................................................................. 33 3.2.2. Thiết kế lưới địa chính .................................................................................... 34 3.2.3. Chọn điểm, chôn mốc địa chính...................................................................... 37 3.2.4. Tổ chức đo GPS .............................................................................................. 41 3.3. Đo kiểm tra ......................................................................................................... 65 3.3.1. So sánh kết quả đo kiểm tra với kết quả đã thực hiện..................................... 66 3.3.2. So sánh kết quả đo kiểm tra vị trí điểm........................................................... 66 3.4. Đánh giá hiệu quả của việc áp dụng công nghệ, bài học kinh nghiệm .............. 68 3.4.1. Hiệu quả sử dụng công nghệ ........................................................................... 68 3.4.2. Bài học kinh nghiệm ....................................................................................... 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng việt BĐĐC Bản đồ địa chính Dilution of Precision DOP (Độ mất chính xác) ĐCCS Địa chính cơ sở Global Navigation Satellite System GNSS (Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu) Global Positioning System GPS (Hệ thống định vị toàn cầu) Horizon Dilution of Precision HDOP (Độ mất chính xác theo phương ngang) Mx, My, Mh Sai số theo phương x, y, h Mp Sai số vị trí điểm Position Dilution of Precision PDOP (Độ mất chính xác vị trí vệ tinh theo 3D) Ratio Tỉ số phương sai Reference Variance Độ chênh lệch tham khảo Rms Sai số chiều dài cạnh Vertical Dilution of Precision VDOP (Độ mất chính xác theo phương dọc) X, Y, h Tọa độ X, Y, Độ cao thủy chuẩn tạm thời Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Tổng hợp diện tích các loại đất của khu vực nghiên cứu ............................. 28 Bảng 3.2. Bảng số lượng điểm địa chính thiết kế trong khu vực nghiên cứu............... 37 Bảng 3.3: Số điểm thiết kế trên địa bàn khu đo ............................................................ 38 Bảng 3.4: Toạ độ các điểm gốc .................................................................................... 38 Bảng 3.5: Thiết kế ca đo ............................................................................................... 46 Bảng 3.6: Chỉ tiêu kỹ thuật của máy đo GPS ............................................................... 48 Bảng 3.8: Số điểm thiết kế trên địa bàn khu đo ............................................................ 61 Bảng 3.9: Kết quả đánh giá độ chính xác sau bình sai ................................................. 63 Bảng 3.10: So sánh kết quả đánh giá độ chính xác đạt được so với quy định hiện hành .............................................................................................................. 64 Bảng 3.11: So sánh kết quả đo với chỉ tiêu kỹ thuật của lưới địa chính được thành lập bằng công nghệ GNSS ................................................................. 65 Bảng 3.12: So sánh kết quả xử lý được với kết quả đo kiểm tra .................................... 66 Bảng 3.13: So sánh kết quả xử lý với kết quả đo kiểm tra ............................................. 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS ............................................. 3 Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS ............................................................................ 5 Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS ...................................................................... 5 Hình 1.4: Các thành phần chính của GPS ............................................................. 6 Hình 1.5: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu ....................................................... 7 Hình 1.6: Xác định hiệu số giữa các thời điểm ..................................................... 8 Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tương đối .................................................................... 9 Hình 1.8: Kỹ thuật định vị tuyệt đối .................................................................... 12 Sơ đồ 1 ...................................................................................................................... 34 Hình 3.3: Quy cách mốc địa chính ...................................................................... 40 Hình 3.5: Cửa sổ chương trình Trimble Geomatics office .................................. 42 Hình 3.6: Cửa sổ Planning................................................................................... 42 Hình 3.7: Cửa sổ Planning (Lists Intervals) ........................................................ 43 Hình 3.8: Cửa sổ Planning (Lists Elevation/Azimuth)........................................ 44 Hình 3.9: Cửa sổ Planning (Lists of DOP values) .............................................. 44 Hình 3.10: Máy GPS 1 tần Trimble 4600LS ......................................................... 47 Hình 3.12: Cửa sổ Datum Transformation Properties . ......................................... 51 Hình 3.13: Chọn hệ tọa độ Vuông góc UTM ........................................................ 52 Hình 3.14: Chọn phép chiếu hình trụ ngang giữ góc ............................................ 52 Hình 3.15: Tạo New Project. ................................................................................. 53 Hình 3.16: Nhập dữ liệu đo ................................................................................... 54 Hình 3.17: Hộp thoại Receiver Raw Data Check in ............................................. 55 Hình 3.18: Hộp thoại Project Setting .................................................................... 56 Hình 3.19: Hộp thoại Select Coordinate System ................................................... 57 Hình 3.20: Hộp thoại Select Coordinate System Type ......................................... 57 Hình 3.21: Hộp thoại Select Coordinate System Zone ......................................... 58 Hình 3.22: Hộp thoại Select Geoid Model ............................................................ 58 Hình 3.23: Hộp thoại Processing Baselines .......................................................... 59 Hình 3.24: Nhập tọa độ điểm gốc.......................................................................... 60 Hình 3.26: Hộp thoại Adjust Network .................................................................. 61 Hình 3.27: Sơ đồ đo lưới địa chính ....................................................................... 63 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đất đai có vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia nói chung và từng địa phương nói riêng. Đất đai là tài nguyên vô cùng quý giá, vừa là tư liệu sản xuất trong các nghành nông nghiệp – lâm nghiệp – ngư nghiệp, vừa là thành phần quan trọng trong môi trường sống tự nhiên, vừa là địa bàn phân bố dân cư, xây dựng cơ sở hạ tầng kinh tế, văn hóa, xã hội và an ninh, quốc phòng. Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, kinh tế - xã hội phát triển rất nhanh trong thời gian gần đây nên đòi hỏi quỹ đất để đáp ứng cho nhu cầu phát triển là rất lớn. Quá trình gia tăng dân số, canh tác, trồng trọt và các hoạt động của con người trên đất đã ảnh hưởng rất nhiều đến hình thể của đất, làm cho chúng bị thay đổi so với ban đầu trên bản đồ. Do đó, cán bộ quản lý đất đai cần phải nắm rõ tình hình, thực trạng và xác định lại hình thể của đất đai để dễ dàng quản lý. Hiện nay, sự phát triển của nền khoa học kỹ thuật tiến bộ đang góp phần quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế của đất nước. Việc áp dụng khoa học kỹ thuật, công nghệ vào quản lý đất đai cũng đã và đang đem lại những hiệu quả thiết thực cho các xã, thị trấn huyện tĩnh gia, tỉnh Thanh Hóa. Qua thực tế quản lý tài nguyên tại các xã, thị trấn, chúng tôi nhận thấy việc ứng dụng các phần mềm chuyên dụng vào việc xây dựng và quản lý đất đai còn có những hạn chế nhất định, chưa đáp ứng được yêu cầu quản lý và trách nhiệm được giao. Trước những hạn chế của đội ngũ cán bộ quản lý đất đai ở địa phương và nhận thấy những ưu điểm, hiệu quả của việc ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm 7 xã, thị trấn gồm: xã Nguyên Bình, Hải Hòa, Hải Nhân, Hải Thanh, Phú Lâm, Phú Sơn và thị trấn Tĩnh Gia vào quản lý đất đai nên chúng tôi quyết định chọn đề tài: “ Ứng dụng Hệ thống định vị toàn cầu xây dựng lưới địa chính cụm 7 xã, thị trấn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa ” để xây dựng các điểm địa chính gồm các bước sau; 1.1. Xây dựng lưới địa chính, gồm: thiết kế lưới (chọn điểm, chôn mốc), thi công, đo đạc thực địa như (lập lịch đo, thiết kế ca đo) lưới khống chế bằng thiết bị máy GPS 1 tần số 4600LS của hãng Trimble theo quy định hiện hành. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2 1.2. Kiểm tra các yếu tố lưới, so sánh kết quả đo lưới và đánh giá độ chính xác đã đạt được với quy phạm hiện hành để kết luận về độ chính xác của lưới GPS đã xây dựng. 1.3. Đánh giá hiệu quả của việc áp dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS Qua đó từng bước đưa tin học vào trong quản lý Nhà nước về đất đai, đáp ứng được yêu cầu trong quá trình phát triển của địa phương và phát triển chung của cả nước. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Ứng dụng được hệ thống định vị toàn cầu để xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác đo vẽ, thành lập bản đồ địa chính tại cụm 7 xã, thị trấn huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa gồm; xã Nguyên Bình, Hải Hòa, Hải Nhân, Hải Thanh, Phú Lâm, Phú Sơn và thị trấn Tĩnh Gia. Xây dựng được mạng lưới tổng thể của khu vực, kiểm tra các yếu tố của lưới, độ chính xác của lưới. Đánh giá được hiệu quả khi áp dụng công nghệ khoa học, đưa công nghệ vào thực tiễn như: đo đạc bản đồ địa chính, cho thêu đất, thu hồi đất… 3. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ GIS để xây dựng bản đồ địa chính. Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý nguồn tài nguyên đất đai. - Ý nghĩa thực tiễn Dựa trên công nghệ GPS để xây dựng lưới địa chính cụm 07 xã, thị trấn huyện Tĩnh Gia 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 đo vẽ và là tiền đề để xây dựng lưới không chế đo vẽ toàn huyện Tĩnh Gia. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
3 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 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. Hình 1.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS Nguồn: 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 (Ahmed El-Rabbany,2007). 1.1.2.1. 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 20.200 km, góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất. Chu kỳ quay của vệ tinh là 718 phút. Nguồn: Introduction to GPS (2007) - 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
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. Nguồn: Introduction to GPS (2007) - 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:, P-Code, C/A- Code và Y- Code, + 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. P-Code điều biến cả hai sóng tải L1, L2 và là code tựa ngẫu nhiên. + 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. + Y-Code: là Code bí mật được phủ lên P-Code nhằm chống bắt chước, gọi là kỹ thuật AS (Anti Spoosing), chỉ có vệ tinh thuộc các khối từ sau năm 1989 mới có khả năng này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
5 Hình 1.2: Cấu trúc tín hiệu GPS Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15] 1.1.2.2. 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), trong đó có 1 trạm trung tâm đặt tại Colorado Springs. Nguồn: Introduction to GPS (2007) 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. Hình 1.3: Các trạm điều khiển GPS Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15] 1.1.2.3. Đoạn sử dụng (User Segment) Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
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 Nguồn: Ahmed El-Rabbany (2007), Introduction to GPS [15] 1.1.3. 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 P-code) và đo pha của sóng tải L1, L2 và tổ hợp L1/L2. (Alfred Leick,1995). 1.1.3.1. 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
7 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. Hình 1.5: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16] 1.1.3.2. 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 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 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. 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 Code chuyền từ vệ tinh 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 Code thu được 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 tin – ĐHTN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông Code do máy thu tạohttp://lrc.tnu.edu.vn ra  t
8 Hình 1.6: Xác định hiệu số giữa các thời điểm Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16] 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  ( ys  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 30 m. Nếu tính đến ảnh hưởng 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 3 m, 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. 2.1.4. Nguyên lý định vị GPS 1.1.4.1. 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, 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
9 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. Hình 1.7: Kỹ thuật định vị tương đối Nguồn: Alfred Leick (1995), GPS Satellite Surveying) [16] Định vị tương đối có các phương pháp đo cơ bản sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
10 a. Phương pháp đo động Phương pháp đo động cho phép xác định vị trí tương đối của hàng loạt điểm so với điểm đã biết. Phương pháp này cần có ít nhất hai máy thu để xác định số nguyên đa trị của tín hiệu vệ tinh, cần phải có một cạnh đáy đã biết được gối lên điểm đã có tọa độ. Sau khi đã xác định số nguyên đa trị được giữ nguyên để tính khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu cho các điểm đi tiếp sau trong suốt cả chu kỳ đo. Nhờ vậy, thời gian thu tín hiệu tại điểm đo không phải là một giờ đồng hồ như trong phương pháp đo tĩnh nữa mà chỉ còn một phút trong phương pháp này. (Alfred Leick,1995) b. Phương pháp đo tĩnh Phương pháp đo tĩnh được sử dụng để xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) giữa hai điểm xét với độ chính xác cao, nhằm đáp ứng yêu cầu của công tác trắc địa. Trong trường hợp này cần có ít nhất hai máy thu, một máy đặt ở điểm đã biết tọa độ còn máy kia đặt tại điểm cần xác định. Cả hai máy thu đồng thời thu tín hiệu từ một số vệ tinh chung trong một khoảng thời gian nhất định, thường từ một đến hai ba giờ đồng hồ. Số vệ tinh tối thiểu cho hai trạm quan sát là 5. Khoảng thời gian quan sát kéo dài là để cho đồ hình phân bố vệ tinh thay đổi từ đó ta có thể xác định được số nguyên đa trị của sóng tải và đồng thời là để có nhiều trị đo nhằm đạt độ chính xác cao và ổn định kết quả quan sát. Đây là phương pháp đạt được độ chính xác cao nhất trong việc định vị tương đối bằng GPS, có thể cỡ centimet, thậm chí là milimet ở khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilomet. Nhược điểm của phương pháp là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng suất đo không cao. (Alfred Leick,1995) 1.1.4.2. Định vị tuyệt đối (point positioning) 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
11 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. (Alfred Leick,1995) 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 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 (1.3) 2 2 2 2 (XS3- X) +(YS3- Y) +(ZS3- Z) = (R3-ct) (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. 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn