Luận văn Ứng dụng công nghệ GPS và toàn đạc điện tử để xây dựng lưới khống chế phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng công nghệ GPS và toàn đạc điện tử để xây dựng lưới khống chế phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ

1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC THỊNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ĐỂ XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH TẠI HUYỆN YÊN LẬP, TỈNH PHÚ THỌ LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ ĐẤT ĐAI Thái Nguyên, năm 2015
2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM NGUYỄN QUỐC THỊNH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ TOÀN ĐẠC ĐIỆN TỬ ĐỂ XÂY DỰNG LƯỚI KHỐNG CHẾ PHỤC VỤ THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ĐỊA CHÍNH TẠI HUYỆN YÊN LẬP, TỈNH PHÚ THỌ 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: TS. Lê Văn Thơ Thái Nguyên, năm 2015
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ luận văn nào khác. Tôi xin cam đoan, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc./. Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Thịnh
4. ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, Lãnh đạo Ban chủ nhiệm Khoa đào tạo Sau Đại học, Khoa Quản lý tài nguyên đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Văn Thơ người hướng dẫn khoa học tận tình, chu đáo và đã giúp đỡ rất nhiều để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng chí lãnh đạo Sở TNMT Phú Thọ, Phòng TNMT huyện Yên Lập đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian điều tra số liệu và những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn của tôi. Tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học và thực hiện đề tài. Xin trân trọng cảm ơn! Học viên Nguyễn Quốc Thịnh
5. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vất đề 1 2. Mục tiêu của đề tài 2 2.1. Mục tiêu tổng quát 2 2.2. Mục tiêu cụ thể 2 3. Yêu cầu của đề tài 2 Chương 1: TỔNG QUAN VÀ CƠ SƠ KHOA HỌC 3 1.1. Công tác thành lập bản đồ địa chính 3 1.1.1. Hệ thống lưới khống chế 3 1.1.2. Những đặc điểm địa hình của vùng trung du phía bắc cần lưu ý khi xây dựng lưới khống chế trắc địa 5 1.2. Tổng quan về công nghệ GPS 6 1.2.1 . Cấu trúc hệ thống GPS 7 1.2.2 . Tín hiệu GPS 10 1.2.3. Các trị đo GPS 11 1.2.4. Các phương pháp định vị GPS 12 1.2.5. Các nguồn sai số 15 1.2.6. Xử lý số liệu 18 1.2.7.Bình sai lưới GPS 19 1.3. Ứng dụng Phương pháp đo GPS tĩnh để thành lập lưới khống chế 21 1.3.1. Phương pháp đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế địa chính 21
6. iv 1.3.2. Các dạng lưới ứng dụng đo tĩnh trong công nghệ GPS để thành lập lưới khống chế địa chính 22 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ định vị toàn cầu 24 1.4.1 Các hệ thống định vị vệ tinh khác 24 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới ở Việt Nam 25 1.5. Vấn đề đặt ra trong nghiên cứu ứng dụng công nghệ GPS trong thành lập lưới khống chế địa chính tại huyện Yên Lập. 26 Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1. Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 28 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 28 2.1.2. Phạm vi Nghiên cứu 28 2.1.3. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 28 2.2. Nội dung nghiên cứu 28 2.3. Phương pháp nghiên cứu 28 2.3.1. Phương pháp thu thập số liệu 28 2.3.2. Phương pháp thành lập lưới 29 2.3.2. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu 29 2.3.4. Phương pháp kết hợp đo Công nghệ GPS và Toàn đạc điện tử trong thành lập lưới đo vẽ bản đồ địa chính 29 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 31 3.1. Điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội 31 3.1.1 Điều kiện tự nhiên 31 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội 33 3.1.3. Hiện trạng sử dụng đất huyện Yên Lập năm 2014 34 3.2. Công tác quản lý đất đai, đo đạc bản đồ địa chính tại khu vực huyện Yên Lập 36 3.2.1. Công tác đo đạc lập bản đồ đăng ký đất đai, lập hồ sơ địa chính, cấp giấy CNQSD đất ở huyện Yên Lập 36
7. v 3.2.2. Hiện trạng về thông tin tư liệu điểm tọa độ, độ cao có trong khu vực huyện Yên Lập 37 3.3. Thiết kế lưới địa chính huyện Yên Lập 40 3.3.1. Công tác khảo sát thiết kế lưới 40 3.3.3. Một số tham số cơ bản Lưới địa chính huyện Yên Lập 42 3.3.4 . Công tác đo lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 43 3.3.5. Kết quả Bình sai lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 44 3.3.6. Đánh giá độ chính xác lưới địa chính thành lập bằng công nghệ GPS 50 3.4. Sử dụng công nghệ GPS đo lưới khống chế đo vẽ 51 3.4.1. Sử dụng công nghệ GPS đo lưới khống chế đo vẽ thay thế phương pháp đường chuyền phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập Tỉnh Phú Thọ 51 3.3.5. Phân tích kết quả đo GPS lưới kinh vĩ thành lập bằng công nghệ GPS 54 3.4.2. Nghiên cứu ứng dụng phương án ứng dụng công nghệ GPS kết hợp với phương pháp lưới đường chuyền phục vụ thành lập lưới đo vẽ bản đồ địa chính 54 3.5. Đánh giá kết quả kiến nghị giải pháp 59 3.5.1. Đánh giá kết quả và kiến nghị các giải pháp kỹ thuật. 59 3.5.2. Kiến nghị các giải pháp kỹ thuật và tổ chức từ kết quả đo GPS lưới địa chính, lưới khống chế đo vẽ thành lập bằng công nghệ GPS. 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 1. Kết luận: 61 2.Kiến nghị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
8. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 : Hiện trạng sử dụng đất năm 2014 35 Bảng 3.2. Số hộ, diện tích đã cấp giấy CNQSD đất 36 Bảng 3.3. Số hộ và diện tích chưa cấp giấy CNQSD đất 36 Bảng 3.4: Các điểm toạ độ đã có trong khu đo đến năm 2013 37
9. vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1.Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS 8 Hình 1.2 : Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS [10] 9 Hình 1.3: Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển [10] 10 Hình 1.4: Đồ hình phân bố vệ tinh với các chỉ số DOP [10] 17 Hình 1.5. Sơ đồ đó với hai máy tối thiểu giữa hai điểm gốc 22 Hình 1.6. Sơ đồ đó với ba máy giữa hai điểm gốc 22 Hình 1.7.Sơ đồ đó với bốn máy đo giữa hai điểm gốc 23 Hình 18. Sơ đồ chêm điểm giữa hai và ba điểm gốc 23 Hình 3.1. Vị trí huyện Yên lập [12] 31 Hình 3.2. Sơ đồ lưới địa chính huyện Yên Lập 42 Hình 3. 3 Sơ đồ Lưới kinh vĩ Xã Hưng Long Huyện Yên Lập 52 Hình 3.4 Lưới khống chế đo vẽ thành lập bằng phương pháp đường chuyền toàn đạc dựa trên hệ thống các điểm Lưới Kinh vĩ bằng phương pháp GPS. 55
10. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vất đề Yêu cầu đặt ra đối với hệ thống quản lý đất đai là sử dụng tài nguyên đất một cách hợp lý, sử dụng hiệu quả và đất đai được bảo vệ, nhằm đảm bảo thực hiện tốt các mục tiêu phát triển kinh tế và công bằng xã hội. Một hệ thống quản lý đất đai hiện đại sẽ đảm bảo quyền lợi hợp lý của Nhà nước, nhà đầu 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 đi kèm phải được thiết lập rõ ràng cho từng thửa đất. Trong giai đoạn thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay ở nước ta, việc thiết lập, quản lý hệ thống hồ sơ địa chính số là một yêu cầu tất yếu. Hệ thống hồ sơ địa chính được thiết lập phải là một hệ thống hồ sơ hiện đại áp dụng được những công nghệ tin học tiên tiến, đây là một yêu cầu đòi hỏi bức thiết, nhưng cũng thật sự khó khăn bởi cùng lúc phải đầu tư một cách đồng bộ từ trình độ nghiệp vụ của những người tác nghiệp, quản lý, hệ thống thiết bị phần cứng, phần mềm, hệ thống dữ liệu Bản đồ địa chính phục vụ trước hết cho nhu cầu quản lý nhà nước về đất đai như: Phục vụ kê khai đăng ký cấp giấy chứng nhận quyền sử dụng đất, thống kê đất đai, lập kế hoạch sử dụng đất, giao đất giao rừng, giải quyết tranh chấp đất đai có thể nói nhu cầu về thành lập bản đồ địa chính bằng các công nghệ hiện đại đã và đang được đặt ra rất cấp thiết. Trong quá trình thành lập bản đồ địa chính tại Phú Thọ đã trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, hệ thống lưới khống chế từ lưới địa chính đến lưới đo vẽ được thành lập với khá nhiều giải pháp. Giai đoạn đầu, lưới địa chính được phân cấp thành lưới địa chính cơ sở và lưới địa chính cấp I và cấp II. Lưới địa chính cơ sở và địa chính cấp I được thành lập bằng phương pháp định vị GPS, lưới địa chính cấp II về cơ bản được thành lập bằng lưới đường chuyền. Giai đoạn gần đây lưới địa chính cấp I và cấp II được xây dựng đồng thời không phân cấp. 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 đối với Phú Thọ là cần đánh giá một cách có hệ thống về khả năng sử dụng phương pháp định vị GPS trong khu
11. 2 vực trung du miền núi phía Bắc, đặc biệt với khả năng ứng dụng phương pháp đo tĩnh ở các khu vực có dị thường độ cao biến động. Với những lý do này qua khoá học thạc sỹ, được sự phân công của khoa sau đại học - trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên và được sự giúp đỡ của Tiến sỹ Lê Văn Thơ. Tôi thực hiện đề tài: “Ứng dụng công nghệ GPS và toàn đạc điện tử để xây dựng lưới khống chế phục vụ thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ”. 2. Mục tiêu của đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa chính trên cơ sở ứng dụng công nghệ GPS tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ phục vụ công tác quản lý nhà nước về đất đai. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Đánh giá thực trạng thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ; - Xác định những tồn tại trong công tác thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ; - Ứng dụng công nghệ GPS nhằm nâng cao hiệu quả công tác thành lập bản đồ địa chính tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ. 3. Yêu cầu của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài phản ánh đúng lưới đo địa chính bằng công nghệ GPS tại huyện Yên Lập, tỉnh Phú Thọ. Các đề xuất, giải pháp và biện pháp phải đưa ra cần khách quan và phù hợp với kết quả nghiên cứu.
12. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VÀ CƠ SƠ KHOA HỌC 1.1. Công tác thành lập bản đồ địa chính 1.1.1. Hệ thống lưới khống chế Lưới toạ độ địa chính Bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000 và 1:10000 được thành lập ở múi chiếu 3o trên mặt phẳng chiếu hình, trong hệ tọa độ Quốc gia VN- 2000 và độ cao Nhà nước hiện hành. Kinh tuyến gốc (00) được quy ước là kinh tuyến đi qua GRINUYT. Giá trị kinh tuyến trục phụ thuộc vào từng địa phương được quy định riêng, như tỉnh Quảng Ninh được quy định 107045’. Điểm gốc của hệ toạ độ mặt phẳng (điểm cắt giữa kinh tuyến trục của từng tỉnh và xích đạo) có X =0 km, Y=500 km. Điểm gốc của hệ độ cao là điểm độ cao gốc ở Hòn Dấu - Hải Phòng [4]. 1. Yêu cầu về điểm khống chế đối với lưới địa chính Cơ sở khống chế toạ độ, độ cao trong đo vẽ bản đồ địa chính gồm: - Lưới tọa độ và độ cao Nhà nước các hạng. - Lưới địa chính, lưới độ cao kỹ thuật. - Lưới khống chế đo vẽ, điểm khống chế ảnh (gọi chung là lưới khống chế đo vẽ). Mật độ điểm khống chế tọa độ địa chính là số điểm lưới khống chế được xây dựng trên một đơn vị diện tích để phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính theo một tỷ lệ xác định. Ta có thể dễ dàng dự tính được số điểm khống chế khi biết những yếu tố sau: - Phương pháp đo vẽ bản đồ địa chính. - Tỷ lệ bản đồ địa chính cần thành lập. - Đặc điểm địa hình và địa vật khu đo. Hiện nay hai phương pháp cơ bản để thành lập bản đồ địa chính là phương pháp đo vẽ trực tiếp và phương pháp đo ảnh hàng không. Phương pháp toàn đạc là phương pháp cơ bản, không thể thay thế trong điều kiện đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn khu
13. 4 vực dân cư đông đúc, thửa đất nhỏ, bị che khuất nhiều. Bản chất của phương pháp xác định toạ độ những điểm chi tiết bằng máy toàn đạc điện tử. Phương pháp này đòi hỏi số lượng điểm khống chế dải đều và dày đặc. Tỷ lệ bản đồ càng lớn, vùng đo vẽ càng che khuất thì số lượng điểm càng nhiều. + Thành lập bản đồ địa chính bằng phương pháp đo vẽ trực tiếp ở thực địa. Để đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:5000 – 1:10000, trên diện tích khoảng 5 km2 có một điểm từ địa chính trở lên. Để đo vẽ bản đồ tỷ lệ 1:500 – 1:2000, trên diện tích từ 1 đến 1,5 km2 có một điểm từ địa chính trở lên. Để đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ 1:200, bản đồ địa chính ở khu công nghiệp, khu có cấu trúc xây dựng dạng đô thị, khu đất có giá trị kinh tế cao, khu đất ở đô thị có diện tích các thửa nhỏ, đan xen nhau, trên diện tích trung bình 0,3 km2 (30 ha) có một điểm từ địa chính trở lên. Quy định trên áp dụng cho cả trường hợp có trích đo khu dân cư hoặc trích đo các thửa, các cụm thửa ở tỷ lệ lớn hơn tỷ lệ bản đồ cơ bản của khu vực. Trường hợp đặc biệt, khi đo vẽ lập bản đồ địa chính mà diện tích nhỏ hơn 30 ha đến trên 5 ha, mật độ từ điểm địa chính trở lên tối thiểu để phục vụ đo vẽ là 2 điểm [2]. 2. Sơ đồ phát triển lưới địa chính Chúng ta biết rằng lưới toạ độ nhà nước hiện nay đã được thống nhất xây dựng trên toàn quốc, lưới toạ độ hạng III và IV nhà nước đã được xây dựng đảm bảo mật độ cũng như độ chính xác phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính ở những khu vực nông thôn, đất nông nghiệp, lâm nghiệp Tuy nhiên, tại những khu vực thành phố và thị xã mạng lưới này không đáp ứng được nhu cầu do bị mất mát và hư hỏng nhiều.
14. 5 Phương pháp cơ bản để xây dựng lưới hiện nay là chêm dày từ các cấp lưới hạng cao nhà nước như hạng I và hạng II, tạo nên mạng lưới địa chính cơ sở đạt độ chính xác tiêu chuẩn hạng III và mật độ đạt tương đương hạng IV nhà nước. Để tăng dày mật độ điểm khống chế tọa độ ta chêm dày thêm vào lưới địa chính cơ sở lưới toạ độ địa chính cấp 1, 2 và tiếp sau đó chêm dày các cấp lưới thấp hơn [2]. Như vậy, việc phát triển lưới địa chính nói chung không khác biệt với phát triển các lưới trắc địa khác. Lưới toạ độ địa chính được thành lập nhằm mục đích phục vụ đo vẽ bản đồ địa chính, tính thống nhất về độ chính xác là yếu tố cơ bản quan trọng nhằm đảm bảo cho bản đồ địa chính được thành lập ở những vùng khác nhau vẫn đồng đều về chất lượng, đặc biệt là đảm bảo độ chính xác yếu tố cần thiết thể hiện trên bản đồ. Lưới địa chính được xây dựng bằng phương pháp đường chuyền hoặc bằng công nghệ GPS theo đồ hình lưới tam giác dày đặc, đồ hình chuỗi tam giác, tứ giác để làm cơ sở phát triển lưới khống chế đo vẽ. 1.1.2. Những đặc điểm địa hình của vùng trung du phía bắc cần lưu ý khi xây dựng lưới khống chế trắc địa Phú Thọ là tỉnh miền núi nằm ở phía Bắc đồng bằng Bắc Bộ, là cửa ngõ giao lưu giữa các tỉnh thuộc đồng bằng Bắc Bộ với các tỉnh phía Tây Bắc. Khu vực nghiên cứu là huyện Yên Lập thuộc vùng núi phía Tây và Tây bắc. Địa hình đặc trưng là đồi núi và núi cao (bình quân 450m – 800m); Địa hình bị chia cắt nhiều sông suối đi lại khó khăn. Theo phân cấp địa hình, diện tích đất đồi núi, đất dốc của khu vực huyện Yên Lập chiếm 65% tổng diện tích tự nhiên, trong đó diện tích đất đồi có độ dốc >150 chiếm tới trên 50%. Đây là đặc điểm quan trọng nhất đối với việc ứng dụng công nghệ GPS. Hệ thống lưới khống chế tất yếu phải phân bố trên khắp khu vực. Tại những khu vực có địa hình chuyển đổi giữa đồi núi thấp sang cao cần có những thử nghiệm đánh giá kỹ vì ở những khu vực có địa hình biến đổi có thể ảnh hưởng đến chất lượng kết quả đo. Để có thể đánh giá cần thử nghiệm. Đây cũng là lý do chúng tôi muốn thử nghiệm và đánh giá khả năng áp dụng công nghệ GPS ở khu vực có địa hình chuyển đổi như ở huyện Yên Lập tỉnh Phú Thọ.
15. 6 1.2. Tổng quan về công nghệ GPS Từ những năm 60, Cơ quan hàng không và Vũ trụ (NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu, phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT. Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967, một thời gian ngắn sau đó TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và quý nhất của hệ TRANSIT. Định vị bằng TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng đo đạc phổ biến như đo đạc đường chuyền hoặc bố trí các công trình dân dụng. Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là "Hệ thống định vị toàn cầu - NAVSTAR-GPS". Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh. Độ chính xác, định vị bằng hệ thống GPS được nâng cao về chất so với hệ TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Năm 1977 Văn phòng về chính sách viễn thông của Mỹ đã kiến nghị rằng việc triển khai đầy đủ hệ định vị toàn cầu GPS sẽ làm tăng giảm đáng kể số hệ thống dẫn đường độc lập của quân đội Mỹ, dẫn tới việc giảm chi phí đáng kể số các hệ thống dẫn đường độc lập của quân đội Mỹ, dẫn tới việc giảm chi phí dẫn đường hàng năm tới hàng tỷ USD. Điều này đã hỗ trợ đẩy mạnh chủ trương triển khai hệ thống GPS. Một năm sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS - 2 (Navigation Technology Sattellite 2), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "BlockI". Từ năm 1978 - 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Hiện thời có 24 vệ tinh này đã triển khai quỹ đạo quanh trái đất với chu kỳ 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.200
16. 7 km. Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1995. Mặc dù GPS thiết kế ban đầu nhằm sử dụng cho mục đích quân sự, nhưng ngày nay đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội và đặc biệt tỏ ra rất hữu ích trong lĩnh vực trắc địa bản đồ. Hệ thống định vị GPS đã được công nhận rộng rãi là thiết bị tin cậy, hiệu quả và cho kết quả đo với độ chính xác rất cao. GPS đo được cả ngày lẫn đêm, trong mọi điều kiện thời tiết. Ưu điểm nổi bật của GPS là không cần tầm nhìn thông giữa các điểm đo, do vậy mà không mất thời gian và công sức để thông hướng. Đây là một ưu điểm của công nghệ GPS so với công nghệ truyền thống khi xây dựng các mạng lưới khống chế toạ độ bằng các phương pháp tam giác hay đường chuyền, có thể nói GPS là giải pháp công nghệ cao, tránh chặt phá rừng, bảo vệ môi trường Mặc dù những ứng dụng sớm nhất của GPS là công tác đo lưới khống chế, hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện và ứng dụng vào mọi dạng công tác đo đạc như đo đạc địa chính, đo đạc địa hình và các công trình kỹ thuật dân dụng [10]. 1.2.1 . Cấu trúc hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là Đoạn (Segment): - Đoạn không gian (Space Segment), - Đoạn điều khiển (Control Segment), - Đoạn người sử dụng (User Segment) (1) Đoạn không gian
17. 8 Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm: - Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển - Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh - Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các quỹ đạo xác định quanh trái đất. Vệ tinh được đưa vào bay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 55o so với mặt phẳng xích đạo trái đất, mỗi mặt phẳng quỹ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh (xem hình 1.1). Qũy đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 12.600 dặm (20.200 km), chu kỳ 718 phút. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng Hình 1.1.Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ khoảng 7,5 năm. thống GPS - Quỹ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở độ cao 20.200km, chu kỳ 12 giờ. - Giai đoạn bổ sung (vệ tinh thuộc khối IIR) sẽ thay thế vệ tinh khối II/IIA. Mỗi vệ tinh có trang bị tên lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo và thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm. (2) Đoạn điều khiển - Đoạn điều khiển là các trạm mặt đất theo dõi các tín hiệu vệ tinh và gửi đi những điều chỉnh cần thiết. Căn cứ không quân Falcon ở Colorado Spring, bang Colorado, USA là nơi điều khiển vận hành hệ thống. Đoạn điều khiển bao gồm 4 trạm
18. 9 theo dõi vệ tinh và 3 trạm tải dữ liệu phân bố trên toàn cầu. Mỗi vệ tinh hàng ngày bay qua một trạm theo dõi. - Số liệu GPS được thu thập bởi các trạm theo dõi và truyền cho trạm chủ Master Station ở Colorado Spring. - Toạ độ của từng vệ tinh (Ephemeris) và độ lệch đồng hồ vệ tinh theo giờ GPS được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ. Các trị số đó lại truyền nạp lên vệ tinh hàng ngày qua các trạm điều khiển mặt đất. Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái trong đó 1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station). Trạm chủ đặt tại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Sping, bang Colorado, USA là nơi nhận, xử lý tín hiệu thu được từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi. Hình 1.2 : Sơ đồ đoạn điều khiển của hệ thống GPS [10]
19. 10 Sau khi số liệu GPS được thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của từng vệ tinh được tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ và truyền tới các vệ tinh hàng ngày qua các trạm theo dõi. (xem hình 1.1.2.2.b). Hình 1.3: Sõ ðồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển [10] (3) Đoạn người sử dụng - Các máy thu GPS Đoạn người sử dụng hay còn gọi là đoạn sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử lý tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất (đo tĩnh) hay gắn trên các phương tiện chuyển động như đi bộ, xe đạp, xe cơ giới, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten đẳng hướng của máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS phân cực tròn ở mọi hướng. Tâm pha của anten là điểm thu tín hiệu và xác định toạ độ. Tâm pha anten và tâm máy thu không nhất thiết phải trùng nhau. Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số liệu ở thực địa [10]. 1.2.2 . Tín hiệu GPS 1.2.3.1 Tần số cơ bản - Tần số cơ bản của tín hiệu vệ tinh GPS là fo = 10.23 MHz C/A Code: - Tín hiệu vệ tinh GPS được mã hoá, có hai loại mã C/A Code và P-Code. Việc sử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS hoạt động trên cùng tần số mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên duy nhất. Máy thu GPS nhận dạng đọc tín hiệu GPS không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn, kinh tế hơn [10].
20. 11 - Mã C/A-(Coare Acquisition) là mã giả ngẫu nhiên (PRN) được phát đi với tần số 1.023 MHz (fo/10). Mã này lặp lại với tần suất miligiây. Phương trình giải mã C/A không bảo mật do vậy mã C/A thông dụng trong nhiều máy thu dân sự để dẫn đường và lập bản đồ. P.Code. - P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo = 10.23 MHz. Tín hiệu này lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu kỳ 267 ngày chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó có 6 đoạn giành riêng cho mục đích vận hành. Mỗi đoạn 7 ngày còn lại được gán mã phân biệt cho từng vệ tinh. P-Code cũng sử dụng được trong các ứng dụng dân sự trong trường hợp phương trình giải mã không bảo mật. Y.code. Y.Code là dạng bảo mật của P-Code. Việc giải mã Y.Code chỉ thuộc về người dùng có thẩm quyền. Vì vậy khi bên quân đội kích hoạt Y.Code thì người dùng không thuộc quân đội sẽ không có khả năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code. Việc sử dụng Y.Code được coi là Anti-Spoofing (AS). 1.2.3.2. Phase sóng mang băng tần L. Tín hiệu vệ tinh GPS điều biến sóng mang L chứa các thông tin quý giá về thời gian và vị trí của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số mạng. Bước sóng L1 = 19cm với tần số là 154*fo = 1575,42 MHz. Bước sóng L2 = 24cm với tần số là 120*fo = 1227,60 MHz. Mã sơ bộ (C/A) chỉ điều biến trên sóng mang L1. Mã chính xác P-Code điều biến cả hai sóng mang L1 và L2 khi được bảo mật (khoá mã) cho Y-Code [10]. 1.2.3. Các trị đo GPS Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dung cho việc đo đạc chia thành 2 nhóm bao gồm: + Nhóm trị đo Code: + Nhóm trị đo pha: -C/A.Code, -L1-Carrier, -P.Code. -L2-Carrier, -Tổ hợp L1/L2.
21. 12 Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng cách đến từng vệ tinh. Khoảng cách gần đúng - pseudo range giữa vệ tinh và anten máy thu có chứa sai số trong đó sai số lớn nhất do sự không đồng bộ của đồng hồ vệ tinh và máy thu. Vị trí của từng vệ tinh có trong thông tin quỹ đạo ephemeris do đó vị trí của anten được xác định khi biết toạ độ vệ tinh và khoảng cách tương ứng đến máy thu bằng cách tính giao hội cạnh [10]. 1.2.4. Các phương pháp định vị GPS 1. Định vị tuyệt đối Là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh trong hệ toạ độ toàn cầu WGS -84. Kỹ thuật định vị này là việc tính toạ độ của điểm đo nhờ việc giải bài toán giao hội nghịch không gian dựa trên cơ sở khoảng cách đo được từ các vệ tinh đến máy thu và toạ độ của các vệ tinh tại thời điểm đo. Do nhiều nguồn sai số nên độ chính xác vị trí điểm thấp, không dùng được cho việc đo đạc chính xác, dung chủ yếu cho việc dẫn đường và các mục đích đạc có yêu cầu độ chính xác không cao. Đối với phương pháp này chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh. 2. Định vị tương đối Thực chất của phương pháp đo là xác định hiệu tọa độ không gian của 2 điểm đo đồng thời đặt trên hai đầu của khoảng cách cần đo (Baseline). Độ chính xác của phương pháp rất cao do loại trừ được nhiều nguồn sai số nên được sử dụng trong đo đạc xây dựng lưới khống chế trắc địa và các công tác đo đạc bản đồ các tỷ lệ. Do bản chất của phương pháp nêu cần tối thiểu hai máy thu vệ tinh trong 1 thời điểm đo. Phụ thuộc vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia thành các dạng đo tương đối sau: Định vị tương đối theo phương pháp tĩnh (Static). Đây là phương pháp chính xác nhất vì nó sử dụng cả 2 trị đo Code và Phase sóng tải. Hai hoặc nhiều máy thu đặt cố định thu tín hiệu GPS tại các điểm cần đo tọa độ trong khoảng thời gian thong thường từ 1 giờ trở lên. Định vị GPS theo phương pháp đo tĩnh nhanh (Fast Static)
22. 13 Phương pháp này về bản chất giống như đo GPS tĩnh nhưng thời gian đo ngắn hơn. Gọi là đo nhanh - tăng tốc độ đo là do giải nhanh được số đa trị nguyên. Phương pháp đòi hỏi dữ liệu trị đo pha sóng tải và trị đo Code. Phương pháp đo tĩnh nhanh với máy thu GPS 2 tần số chỉ có hiệu quả trên cạnh ngắn. Thời gian đo tĩnh nhanh thay đổi từ 8’ - 30’ phụ thuộc vào số vệ tinh và đồ hình vệ tinh phân bố đều sẽ hỗ trợ việc tìm nhanh số đa trị nguyên và giảm thời gian định vị. 3. Định vị GPS động (Kinematic) Phương pháp được tiến hành với 1 máy đặt tại trạm cố định (base station) và một hoặc nhiều các máy khác (rover station) di động đến các điểm cần đo toạ độ. Đo GPS động là giải pháp đo nhằm giảm tối thiểu thời gian đo so với phương pháp GPS tĩnh nhưng vẫn đạt độ chính xác đo khoảng cách cỡ cm. Nguyên lý đo động là giải được số nguyên đa trị (số nguyên lần bước sóng từ vệ tinh đến máy thu) được xác định nhờ giải pháp khởi đo và được duy trì bằng cách thu tín hiệu liên tục từ tối thiểu với 4 vệ tinh (tốt hơn là 5) trong khi đi chuyển máy thu đến điểm đo tiếp theo và thời gian đo tại các điểm này chỉ cần một vài trị đo (epoch). 4. Định vị GPS động xử lý sau Post Processing Kinematic GPS Đây là phương pháp một loạt điểm định vị so với trạm tĩnh bằng cách di chuyển tuần tự máy thu đến các điểm cần xác định toạ độ. Toạ độ của các điểm đo có được sau khi xử lý số liệu trong phòng. Để có thể đo theo phương pháp này cần phải tiến hành việc khởi đo bằng cách đo tĩnh trên 1 đoạn thẳng sau đó mới đến đo tại các điểm cần xác đinh toạ độ với thời gian ngắn tối thiểu đo 2 trị đo (2 epoch). Nếu trong quá trình di chuyển đến điểm cần đo tín hiệu của một trong 4 vệ tinh bị mất có nghĩa là số nguyên đa trị giải được qua phép khởi đo bị mất do đó phải khởi đo lại bằng cách: Máy thu quay lại điểm đo trước đó hoặc đo tĩnh trên một cạnh mới. Với kỹ thuật này máy thu di động có năng suất lao động cao hơn nhiều rất phù hợp cho việc phát triển lưới khống chế cấp đường chuyền. 5. Đinh vị GPS động thời gian thực (RTK)
23. 14 Nguyên lý kỹ thuật đo động này tương tự như trên đã trình bày, nhưng đòi hỏi liên kết truyền thông trị đo phase sóng mang từ trạm tĩnh đến trạm di động để tạo thành sai phân bậc hai trong sổ điện tử (tieldbook) gắn với máy thu di động và toạ độ của điểm đo được xác định tại thời điểm tại thực địa. Kỹ thuật đo GPS động thời gian thực. (RTK) sử dụng trị đo phase sóng mang và trị do codes. Phương pháp đo GPS RTK đòi hỏi tần số cao là tốc độ truyền tin cao do vậy nó bị hạn chế tầm hoạt động. RTK có hiệu quả cao khi đo đạc và cắm điểm thiết kế ở vùng thoáng đãng nhờ lợi điếm của kỹ thuật giải số đa trị nhanh. Kỹ thuật RTK cho độ chính xác cao cỡ cm về định vị và 0.01 m/s về tốc độ. Nó được ứng dụng trong đo đạc, dẫn đường hàng không, hàng hải và khảo sát thuỷ văn chính xác. Đối với đo đạc mặt đất, đo toạ độ chi tiết, có thể cắm điểm ở thực địa với độ chính xác cao. Đây là ưu điểm quan trong được ứng dụng trong đo đạc địa hình, địa chính tỷ lệ lớn. 6. Đinh vị DGPS (đo GPS cải chính phân sai) Là phương pháp đo GPS sử dụng nguyên lý cả trị đo Cod và đo phas. Nội dung của phương pháp đo là dùng 2 trạm đo trong đó 1 trạm gốc (trạm tĩnh) có toạ độ biết trước và 1 trạm đo tại các điểm cần đo toạ độ (trạm động); trên cơ sở độ lệch về toạ độ đo so với toạ độ thực tại trạm gốc để hiệu chỉnh vào kết quả đo tại các trạm động.Yêu cầu quan trọng khi đo phân sai là trạm tĩnh và trạm di động phải thu số liệu đồng thời và trạm di động phải ghi được số liệu của cùng số vệ tinh mà trạm tĩnh cũng ghi được. Trạm tĩnh phải đặt ở điểm đã có toạ độ. Toạ độ trạm tĩnh phải nhập qua bàn phím 1, vào phần mềm xử lý. Nếu toạ độ trạm tĩnh không chính xác kết quả tính cải chính phân sai sẽ mắc sai số cùng độ lớn và phương vị của sai số trạm tĩnh. Có hai phương pháp cải chính phân sai:Cải chính theo trị đo pseudorange - Measurement Correction: Phần mềm Pfinder đọc file rover và lọc ra nhóm vệ tinh mà máy rover dùng để định vị. Sử dụng số liệu trị đo code pseudorange trong file base tới từng vệ tinh trong nhóm vệ tinh đó, phần mềm xác định sai số pseudorange của từng vệ tinh so với khoảng cách thực của nó. Các sai số này được dùng để cải chính số liệu định vị trong file rover.