Giáo Trình Hệ Thống Định Vị Toàn Cầu GPS và Ứng Dụng Trong Trắc Địa Công Trình

Giáo trình hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS trong nghề trắc địa công trình cao đẳng, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề Xây Dựng
• Chuyên ngành: Trắc Địa Công Trình
• Đề tài: Giáo Trình Hệ Thống Định Vị GPS Trong Trắc Địa Công Trình
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: Năm ……………
• Địa điểm: Quảng Ninh

Mục lục chi tiết

• TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
• MỞ ĐẦU
• 1. BÀI 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
• 1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS, chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh
• 1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
• 1.1.2. Cấu trúc tín hiệu GPS
• 1.1.3. Phần sử dụng (User Segment)
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
• 2. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐO GPS
• 2.1. Chọn thời điểm và thiết kế lịch đo GPS
• 2.2. Phép định vị tĩnh và định vị động

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Hệ Thống Định Vị GPS Trong Trắc Địa Công Trình

Giáo trình này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống định vị GPS và ứng dụng của nó trong trắc địa công trình. Hệ thống GPS đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong việc xác định vị trí và đo đạc chính xác. Từ khi được đưa vào ứng dụng tại Việt Nam từ năm 1991, công nghệ này đã có những bước phát triển vượt bậc, giúp cải thiện độ chính xác trong các công trình xây dựng và khảo sát địa hình.

1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống GPS tại Việt Nam

Hệ thống GPS được đưa vào ứng dụng tại Việt Nam từ năm 1991, với sự tham gia của nhiều tổ chức và cá nhân trong lĩnh vực trắc địa công trình. Việc sử dụng GPS đã giúp giải quyết nhiều vấn đề trong việc xây dựng mạng lưới tọa độ nhà nước.

1.2. Vai trò của GPS trong trắc địa công trình

GPS đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tọa độ chính xác cho các công trình xây dựng. Công nghệ này giúp giảm thiểu thời gian và chi phí so với các phương pháp truyền thống.

II. Những thách thức trong việc ứng dụng GPS trong trắc địa công trình

Mặc dù công nghệ GPS mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc ứng dụng nó trong trắc địa công trình. Các yếu tố như điều kiện thời tiết, địa hình và sự can thiệp của tín hiệu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của việc đo đạc.

2.1. Ảnh hưởng của điều kiện thời tiết đến GPS

Điều kiện thời tiết xấu như mưa, sương mù có thể làm giảm độ chính xác của tín hiệu GPS. Việc này đòi hỏi các kỹ thuật viên phải có biện pháp khắc phục hiệu quả.

2.2. Sự can thiệp của tín hiệu trong môi trường đô thị

Trong môi trường đô thị, sự phản xạ tín hiệu từ các tòa nhà cao tầng có thể gây ra sai số trong việc xác định vị trí. Điều này cần được xem xét khi thực hiện các dự án trắc địa.

III. Phương pháp đo đạc GPS chính xác trong trắc địa công trình

Để đạt được độ chính xác cao trong việc đo đạc bằng GPS, cần áp dụng các phương pháp đo đạc hiện đại. Các phương pháp này bao gồm đo tĩnh, đo động và sử dụng các thiết bị GPS tiên tiến.

3.1. Phương pháp đo tĩnh với GPS

Phương pháp đo tĩnh cho phép thu thập dữ liệu trong thời gian dài, giúp cải thiện độ chính xác của tọa độ. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong các dự án lớn.

3.2. Phương pháp đo động với GPS

Đo động là phương pháp sử dụng GPS để xác định vị trí của các đối tượng chuyển động. Phương pháp này rất hữu ích trong việc theo dõi các phương tiện giao thông.

IV. Ứng dụng thực tiễn của GPS trong trắc địa công trình

Công nghệ GPS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của trắc địa công trình. Từ việc xây dựng mạng lưới tọa độ đến việc đo đạc địa hình, GPS đã chứng minh được giá trị của mình.

4.1. Xây dựng mạng lưới tọa độ nhà nước

Việc xây dựng mạng lưới tọa độ nhà nước bằng GPS giúp đảm bảo độ chính xác cao trong các công trình xây dựng và khảo sát địa hình.

4.2. Đo đạc địa hình và lập bản đồ

GPS được sử dụng để đo đạc địa hình và lập bản đồ chính xác, phục vụ cho các dự án quy hoạch và phát triển đô thị.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống GPS trong trắc địa công trình

Hệ thống GPS đã và đang đóng góp lớn vào sự phát triển của trắc địa công trình. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ còn nhiều tiềm năng với sự phát triển của các thiết bị và phần mềm mới.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ GPS

Công nghệ GPS sẽ tiếp tục phát triển với sự ra đời của các thiết bị mới và phần mềm tiên tiến, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong đo đạc.

5.2. Tác động của GPS đến ngành trắc địa

GPS sẽ tiếp tục là công cụ quan trọng trong ngành trắc địa, giúp cải thiện quy trình làm việc và nâng cao chất lượng công trình.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VỀ GIÁO TRÌNH VÀ MÔ-ĐUN ĐÀO TẠO

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mô đun: Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS được biên soạn bởi Trường Cao đẳng Nghề Xây dựng (Bộ Xây dựng) tại Quảng Ninh, phục vụ chương trình đào tạo chuyên ngành Trắc địa công trình ở trình độ Cao đẳng. Mô-đun này giữ vị trí cốt lõi trong khối kiến thức kỹ thuật chuyên ngành, cung cấp toàn bộ nền tảng lý thuyết và quy trình công nghệ định vị vệ tinh phục vụ công tác trắc địa mặt bằng, trắc địa địa chính và trắc địa công trình.

Mục tiêu học tập của giáo trình trang bị cho người học năng lực:

1. Hiểu rõ cấu trúc phần cứng, phần mềm của hệ thống NAVSTAR GPS và các nguyên lý định vị vệ tinh.
2. Thiết kế lịch đo, vận hành thành thạo các dòng máy thu GPS một tần số và hai tần số ngoài thực địa.
3. Làm chủ kỹ thuật tính toán gia số tọa độ (baseline), xử lý sai phân khử sai số và thực hiện bình sai mạng lưới GPS trong hệ quy chiếu không gian WGS-84 cũng như tính chuyển sang hệ tọa độ quốc gia VN-2000.

Cấu trúc giáo trình được phân bổ thành 7 bài học với cách tiếp cận đi từ nguyên lý vật lý - hình học của tín hiệu vệ tinh, phương pháp tổ chức đo đạc ngoại nghiệp, đến thuật toán xử lý nội nghiệp và ứng dụng chuyên sâu trong các bài toán công trình, địa chính, đo cao.

Điểm đặc sắc của tài liệu là tính thực tiễn cao gắn liền với lịch sử và dữ liệu sản xuất trắc địa tại Việt Nam từ năm 1991 (thời điểm Cục Đo đạc và Bản đồ Nhà nước thử nghiệm 3 máy thu Trimble 4000-ST). Nội dung giảng dạy được minh chứng bằng các dự án thực tế như xây dựng mạng lưới tọa độ hạng II (Minh Hải, Sông Bé, Tây Nguyên), trắc địa biển kết nối quần đảo Trường Sa, cùng các số liệu thực nghiệm đo lưới khống chế Monaco và lưới địa chính xã Liên Hòa (Lập Thạch, Vĩnh Phúc).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình gồm 7 bài học chính được sắp xếp theo trình tự logic chặt chẽ:

• Bài 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS: Phân tích cấu trúc hệ thống NAVSTAR GPS gồm 3 thành phần: Phần điều khiển (Control Segment với 8 trạm mặt đất, gồm 4 trạm theo dõi Diego Garcia, Ascension, Kwajalein, Hawaii; 1 trạm Master Control Station và 3 trạm Upload Station); Phần không gian (Space Segment gồm 24 vệ tinh, quỹ đạo $20.200\text{ km}$, góc nghiêng $55^\circ$, chu kỳ 12 giờ, phát sóng mang $L_1 = 1575{,}42\text{ MHz}$, $L_2 = 1227{,}60\text{ MHz}$ mang mã C/A, P, Y và thông điệp 50 Hz); Phần sử dụng (User Segment với máy thu 1 tần số và 2 tần số). Phân tích nguyên lý định vị cự ly giả và đo pha sóng mang.
• Bài 2: Tổ chức thực hiện đo GPS: Hướng dẫn lập lịch đo tối ưu qua phần mềm Mission Planning; quy định khung giờ đo thuận lợi tại Việt Nam (19h–24h, 4h–7h, 14h–16h); các chế độ đo nhanh (Quick Start) và đo theo chương trình (Pre-Planned Start); kỹ thuật định vị tĩnh, định vị động (DGPS), bán động (Semi-Kinematic); phân tích hệ số suy giảm độ chính xác hình học DOP (GDOP, PDOP, HDOP, VDOP) và các nguồn sai số (đồng hồ, quỹ đạo vệ tinh ephemeris, tầng điện ly, tầng đối lưu, nhiễu đa đường multipath).
• Bài 3: Xử lý số liệu đo GPS: Trình bày mô hình toán học giải baseline $R_{ij} = R_j - R_i$; các toán tử sai phân bậc 1 ($\Delta, \nabla, \delta$), sai phân bậc 2 ($\Delta\nabla$), sai phân bậc 3 ($\Delta\nabla\delta$) theo nghiên cứu của Remondi (1984), Vanicek (1985), Eren (1987); các dạng lời giải TRIPLE, FLOAT, FIXED; các chỉ tiêu đánh giá độ chính xác (RDOP, RMS, chuẩn Fisher $F > 3 - 0{,}02D$, tỷ số RATIO $> 3{,}1$); quy trình bình sai trên phần mềm TRIMVEC PLUS, WAVE, TRIMNET+.
• Bài 4: Đo GPS lập lưới khống chế mặt bằng: Quy trình thao tác máy Trimble 4000-ST Surveyor; kỹ thuật xử lý bán tự động loại trừ trượt chu kỳ (Cycle Slips); phương pháp bình sai không gian, bình sai phẳng và tính chuyển tọa độ WGS-84 về VN-2000; số liệu thực nghiệm đo lưới 7 điểm (M1–M7) nối 2 điểm gốc GPS01, GPS02 tại dự án Monaco.
• Bài 5: Đo GPS phục vụ đo vẽ địa chính: Thiết kế lưới địa chính dạng tam giác dày đặc; quy trình đo Fast Static với thời gian 60 phút/ca; ứng dụng thực tế tại xã Liên Hòa (Lập Thạch, Vĩnh Phúc) với 162 điểm đo vẽ (KV-01 đến KV-162) nối 5 điểm gốc LTH và 1 điểm GPS; xử lý tính toán bằng phần mềm Compass, Apnet.
• Bài 6: Đo GPS phục vụ trắc địa công trình: Ứng dụng công nghệ GPS trong quan trắc biến dạng cục bộ công trình và lún mỏ với yêu cầu độ chính xác $1\text{ mm}$ đến $1\text{ cm}$.
• Bài 7: Đo cao GPS: Nguyên lý xác định độ cao thủy chuẩn từ độ cao trắc địa thông qua mô hình Geoid (EGM96) và thuật toán nội suy dị thường độ cao Spline.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập cơ sở khoa học dựa trên các lý thuyết và nguyên lý chuẩn mực:

• Lý thuyết trắc địa vệ tinh và lan truyền sóng vô tuyến: Mô hình hóa hiện tượng khúc xạ qua tầng điện ly (tỉ lệ nghịch với bình phương tần số tín hiệu) và tầng đối lưu (phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, độ ẩm).
• Nguyên lý hình học và giải tích: Phương trình tựa khoảng cách: $$C \cdot t = \sqrt{(x_s - x_p)^2 + (y_s - y_p)^2 + (z_s - z_p)^2}$$ và phương trình pha sóng mang tương đối: $$\phi(t) = \phi_s(t) - \frac{f}{c}S_{sp} - \phi_p(t) + \Delta\phi_s(t) + \Delta\phi_{sp}$$
• Hệ quy chiếu và Elipsoid: Sử dụng Elipsoid quy chiếu WGS-84 ($a = 6.378.137\text{ m}$) và thuật toán chuyển đổi tọa độ sang hệ quy chiếu quốc gia VN-2000 (phép chiếu UTM múi $3^\circ$).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thao tác kiểm tra 8 kênh thu, sấy túi hút ẩm máy Trimble 4000-ST; thiết lập tham số trạm đo; trút dữ liệu qua chương trình Download Data; xuất định dạng chuẩn quốc tế RINEX; vận hành các phần mềm xử lý chuyên dụng: TRIMNET+, Trimble Total Control V, DPSurvey 2, Compass, Apnet.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Thẩm định chất lượng đồ hình vệ tinh qua hệ số GDOP (giá trị 2–4 là tối ưu); đánh giá lời giải baseline dựa trên tiêu chuẩn kiểm định Fisher, độ lệch tham khảo (Reference Variance) và chỉ số RMS; phát hiện và can thiệp loại bỏ hiện tượng méo tín hiệu hoặc trượt chu kỳ pha.
• Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Khảo sát thực địa, đúc mốc bê tông quy chuẩn kích thước $40 \times 40\text{ cm}$ gắn tâm sứ; lập biểu đồ phân ca đo đồng thời nhiều máy thu; đo đạc yếu tố khí tượng hiện trường; biên tập hoàn chỉnh hệ thống 8 bảng biểu thành quả bình sai tọa độ và độ cao.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo phương pháp đào tạo mô-đun tích hợp (Modular Vocational Training Approach), kết hợp chặt chẽ giữa giảng dạy lý thuyết cơ sở trên lớp, thực hành thao tác thiết bị ngoại nghiệp và xử lý dữ liệu tại phòng máy tính.

Trong phần thực hành, sinh viên tiếp cận trực tiếp các tình huống dự án kỹ thuật điển hình:

• Case study đo khống chế mặt bằng công trình: Sinh viên phân tích đồ hình đo 3 ca với 5 máy thu Topcon 2 tần số tại dự án Monaco, tính toán gia số tọa độ, kiểm tra sai số khép tương đối tam giác (đạt từ $1/23.973$ đến $1/213.562$) và bình sai kết hợp mô hình Geoid EGM96.
• Case study đo vẽ địa chính: Thực hành thiết kế mạng lưới tam giác gồm 162 điểm chi tiết tại xã Liên Hòa (Vĩnh Phúc), tổ chức nhóm 7 nhân sự vận hành 6 ca đo tĩnh/ngày, kiểm tra đồng bộ đồng hồ vệ tinh trước ca đo 5 phút và đo chiều cao ăng-ten chính xác đến milimét tại hai thời điểm bắt đầu - kết thúc.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập dựa trên các tiêu chí kỹ thuật định lượng nghiêm ngặt theo quy phạm trắc địa:

• Đánh giá chất lượng đo baseline qua tỷ số $\text{RATIO} > 3{,}1$ và chỉ số $\text{RMS} < 0{,}05\text{ chu kỳ}$ (cho cạnh $< 10\text{ km}$).
• Đánh giá sai số trung phương trọng số đơn vị bình sai ($\text{Reference Factor} = 1$).
• Kiểm tra chéo kết quả thực địa độc lập bằng máy toàn đạc điện tử (lưới mặt bằng) và máy thủy chuẩn điện tử (lưới độ cao).

Về phương pháp tự học, giáo trình cung cấp bảng tra cứu hạn sai RMS theo khoảng cách cạnh (Bảng 9), bảng chỉ tiêu Reference Variance (Bảng 10) và quy trình 4 bước xử lý bán tự động giúp người học tự kiểm tra, khắc phục lỗi số liệu khi lời giải FIXED không đạt tiêu chuẩn.

---

Điểm nổi bật và cập nhật công nghệ

Tài liệu tổng hợp quá trình phát triển của công nghệ GPS đo tĩnh và định vị vệ tinh từ năm 1990 đến nay:

Tiêu chí so sánh	Giai đoạn 1990	Giai đoạn nâng cấp / Hiện nay
Số lượng vệ tinh trên quỹ đạo	18 vệ tinh	Nâng lên 32 vệ tinh (tăng số lượng trị đo đồng thời)
Độ chính xác đo cạnh dài	Đạt mức $1/20.000$	Đạt mức $1/200.000$ (tăng độ chính xác gấp 10 lần)
Độ chính xác đo tương đối	Mức độ cơ bản	Nâng cao độ chính xác lên gấp 10 lần
Độ chính xác đo tuyệt đối	Sai số $10\text{ m} - 100\text{ m}$	Đạt mức $1\text{ m} - 2\text{ m}$ (tăng độ chính xác 100 lần)
Thuật toán xử lý baseline	Phần mềm TRIMVEC+	Phần mềm Wave Processor và GPSurvey (bộ lọc khử nhiễu tối ưu)
Năng lực xử lý kênh vệ tinh	Tối đa 9 vệ tinh (TRIMMBP)	Xử lý đồng thời toàn bộ vệ tinh quan sát (WAVE)

Giáo trình cập nhật các phương thức định vị hiện đại ứng dụng trong nhiều lĩnh vực:

• Công nghệ đo động: RTK (Real-Time Kinematic) đạt độ chính xác $1\text{ cm}$ phục vụ đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn; công nghệ DGPS/RTCM hiệu chỉnh qua trạm cố định đạt độ chính xác $1\text{ m}$; công nghệ MSK định vị cự ly dài tới $5000\text{ km}$; công nghệ hậu xử lý động Post-Processing Kinematic (PPK) đạt độ chính xác $1\text{ dm}$.
• Trắc địa chuyên ngành: Đo nối tọa độ tâm chính ảnh bay chụp hàng không thay thế điểm khống chế mặt đất (độ chính xác $0{,}5\text{ m} - 26\text{ m}$); đo vẽ địa hình đáy biển và trường trọng lực; dẫn đường hàng không dân dụng theo tiêu chuẩn ICAO; quan trắc chuyển dịch vỏ trái đất trên cự ly liên lục địa (độ chính xác $10^{-7} - 10^{-8}$).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS được biên soạn chuyên biệt cho các nhóm đối tượng:

1. Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên năm thứ hai và năm thứ ba theo học hệ Cao đẳng nghề hoặc Cao đẳng kỹ thuật chuyên ngành Trắc địa công trình, Trắc địa - Bản đồ, Quản lý đất đai và Công trình giao thông/thủy lợi.
2. Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần: Trắc địa đại cương, Sai số và Phương pháp bình sai trắc địa, Cơ sở hệ tọa độ và Bản đồ học, Tin học ứng dụng trong trắc địa.
3. Giảng viên và cơ sở đào tạo: Làm giáo trình giảng dạy chuẩn cho mô-đun đo GPS; cung cấp giáo án khung cho bài tập thực hành ngoại nghiệp, hướng dẫn lập đồ án môn học và quy chuẩn chấm điểm kết quả đo đạc.
4. Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật thực địa: Dùng làm tài liệu tra cứu kỹ thuật về quy trình đo tĩnh, phương pháp cài đặt máy thu Trimble/Topcon/Ashtech, và trình tự bình sai lưới chuyển đổi hệ tọa độ trên các phần mềm chuyên nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình phù hợp với sinh viên các trường cao đẳng, đại học kỹ thuật chuyên ngành Trắc địa công trình, Địa chính, cùng các kỹ thuật viên, kỹ sư đang trực tiếp thực hiện công tác đo đạc, lập lưới khống chế ngoài thực địa.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng gì trước khi học mô-đun này?

Cần nắm vững lý thuyết sai số trắc địa, nguyên lý bình sai gián tiếp, kiến thức cơ bản về hệ tọa độ Ellipsoid (WGS-84, VN-2000), phép chiếu bản đồ UTM và kỹ năng sử dụng máy vi tính để vận hành phần mềm chuyên ngành.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết thuần túy là gì?

Tài liệu trình bày chi tiết các bước vận hành phần cứng (máy Trimble 4000-ST Surveyor, Topcon 2 tần số), các giải thuật toán tử sai phân bậc 1-2-3, quy trình xử lý bán tự động loại bỏ trượt chu kỳ (Cycle Slips) và tích hợp trực tiếp dữ liệu thực nghiệm từ các dự án sản xuất trắc địa thực tế tại Việt Nam (dự án Monaco, dự án Liên Hòa - Vĩnh Phúc).

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững quy trình xử lý số liệu trong giáo trình?

Người học cần kết hợp đọc kỹ lý thuyết tính baseline, đối chiếu các chỉ tiêu sai số kỹ thuật ($F, \text{RMS}, \text{RDOP}, \text{RATIO}$) được quy định trong Bảng 9 và Bảng 10, đồng thời thực hành từng bước trên phần mềm tính toán (TRIMNET+, Trimble Total Control, Compass) theo hướng dẫn các bước bình sai sơ bộ và bình sai chính thức.

5. Giáo trình có đi kèm các quy trình hướng dẫn cụ thể nào không?

Giáo trình tích hợp bảng quy trình hướng dẫn sử dụng máy thu GPS Trimble Navigation 4000-ST, mẫu sổ đo khí tượng hiện trường (đo nhiệt độ, áp suất, độ ẩm), biểu đồ lập lịch đo Mission Planning và hệ thống 8 bảng biểu mẫu biên tập kết quả sau bình sai bằng phần mềm DPSurvey 2.

---

Kết luận

Giáo trình Mô đun: Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS của Trường Cao đẳng Nghề Xây dựng là tài liệu học thuật kỹ thuật có tính hệ thống cao, kết hợp toàn diện giữa lý thuyết cấu trúc vệ tinh, mô hình toán học sai phân và quy trình công nghệ đo đạc thực tế.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học gồm 4 giai đoạn tuần tự:

[Nghiên cứu cấu trúc NAVSTAR & Sóng mang]
[Lập lịch Mission Planning & Thao tác máy thu thực địa]
[Giải nghiệm Baseline & Phân tích hạn sai F, RMS, RATIO]
[Bình sai lưới không gian & Chuyển đổi hệ tọa độ VN-2000]

Để mở rộng kiến thức, người học nên tham khảo thêm các tài liệu kỹ thuật của các hãng chế tạo thiết bị (Trimble Navigation, Ashtech, Topcon), các tiêu chuẩn kỹ thuật đo GPS thành lập lưới khống chế của Bộ Tài nguyên và Môi trường, cùng tài liệu hướng dẫn sử dụng các phần mềm bình sai chuyên sâu như GPSurvey, Geomatic Office, GPPS, Compass và Apnet.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Công nghệ ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được đưa vào sản xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. Trong những năm 1991 đến 1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền. Từ đó đến nay, việc ứng dụng công nghệ GPS đã có những bước phát triển rất lớn.

Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới công trình v. Các phần mềm để xử lý tính toán bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET, TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE (hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v. và 1 phần mềm bình sai lưới GPS do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng.

Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính toán kết quả đo GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập tài liệu gồm 3 chương sau đây: Bài 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS Bài 2: Tổ chức thực hiện đo GPS Bài 3. Xử lý số liệu đo GPS Bài 4: Đo GPS lập lưới khống chế mặt bằng Bài 5: Đo GPS phục vụ đo vẽ địa chính Bài 6: Đo GPS phục vụ trắc địa công trình Bài 7: Đo cao GPS BÀI 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 1. Cấu trúc của hệ thống GPS, chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh 1.

Cấu trúc của hệ thống GPS Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì. Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép dùng trong dân sự.

Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau. Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập.

Mười hãng trên thế giới sản xuất máy thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ), ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức). Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION đang được đánh giá cao nhất. Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa dạng hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra.

Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất. Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vô tận. Với các tín hiệu thu được chúng ta có thể tính được tọa độ không gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ không gian (độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4 cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ chính xác 0. Ngoài ra còn có thể có những tham số khác đang được nghiên cứu.

Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME AND RANGING. Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment). Phần điều khiển (Control Segment): Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi (Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu (Upload Station).

Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính toán lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh. 1 Sau tính toán các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vòng 1 giờ các vệ tinh đều có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.

Phần không gian (Space Segment): 1.1 Chòm vệ tinh GPS: Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km, chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1.

Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng còn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với 2 tần số 10. Ngoài 2 mã trên vệ tinh còn phát mã phụ có tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh.

Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao. Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và "hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động không khỏe".2 Cấu trúc tín hiệu GPS Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số 1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz.

Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10= 1. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz.

Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay cho mã P.

Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được công bố rộng rãi và không giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS không có giấy phép (nói chung là những người không thuộc quân đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y). Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y. Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức.

Nếu mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, còn nếu mã số có trị số +1 thì phase sóng mang giữ nguyên không thay đổi. Cả hai sóng mang đều mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực. Phần sử dụng (User Segment): Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy bay và tàu thủy.

Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu 2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2.