Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp đo gps động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong đo đạc địa chính

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu phương pháp đo gps động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trong, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Lê Văn Quang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quốc Bình
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Quản lý đất đai
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp đo GPS động trong địa chính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS
• 1.1. Sự hình thành của hệ thống GPS
• 1.2. Cấu trúc của hệ thống GPS
• 1.2.1. Đoạn không gian
• 1.2.2. Đoạn điều khiển
• 1.2.3. Đoạn sử dụng
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA KỸ THUẬT ĐO GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU
• 3. CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG PHƢƠNG PHÁP GPS ĐỘNG XỬ LÝ SAU BẰNG MÁY THU MỘT TẦN SỐ VỚI NHIỀU TRẠM CỐ ĐỊNH TRÊN ĐỊA BÀN QUẬN NAM TỪ LIÊM, THÀNH PHỐ HÀ NỘI
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp đo GPS động trong địa chính

Nghiên cứu phương pháp đo GPS động trong địa chính đang trở thành một xu hướng quan trọng trong lĩnh vực quản lý đất đai. Công nghệ GPS (Global Positioning System) đã mang lại nhiều lợi ích cho việc đo đạc và lập bản đồ địa chính. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí. Trong bối cảnh hiện nay, việc hiểu rõ về công nghệ GPS và các phương pháp đo GPS động là rất cần thiết.

1.1. Khái niệm về đo GPS động và ứng dụng trong địa chính

Đo GPS động là phương pháp sử dụng tín hiệu từ vệ tinh để xác định vị trí của các điểm trên bề mặt trái đất. Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu nhanh chóng và chính xác, đặc biệt trong các khu vực khó tiếp cận. Ứng dụng của đo GPS động trong địa chính bao gồm việc thành lập lưới khống chế tọa độ, lập bản đồ địa chính và quản lý đất đai hiệu quả.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng công nghệ GPS trong đo đạc địa chính

Công nghệ GPS mang lại nhiều lợi ích cho việc đo đạc địa chính, bao gồm độ chính xác cao, khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau và tiết kiệm thời gian. Việc sử dụng GPS giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đo đạc và nâng cao hiệu quả công việc.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu phương pháp đo GPS động

Mặc dù phương pháp đo GPS động mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số vấn đề và thách thức cần được giải quyết. Đặc biệt, việc sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động có thể gây ra một số khó khăn trong việc xử lý dữ liệu và đảm bảo độ chính xác.

2.1. Các nguồn sai số trong đo GPS động

Trong quá trình đo GPS động, có nhiều nguồn sai số có thể ảnh hưởng đến kết quả đo, bao gồm sai số do điều kiện thời tiết, sai số do tín hiệu bị phản xạ và sai số do thiết bị. Việc nhận diện và giảm thiểu các nguồn sai số này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.

2.2. Thách thức trong việc sử dụng nhiều trạm cố định

Việc sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động có thể làm tăng độ chính xác, nhưng cũng đặt ra thách thức trong việc bố trí và quản lý các trạm này. Cần có các phương pháp tối ưu để xác định vị trí và số lượng trạm cố định nhằm đạt được hiệu quả cao nhất.

III. Phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định

Phương pháp đo GPS động xử lý sau là một kỹ thuật tiên tiến trong đo đạc địa chính. Phương pháp này cho phép xử lý dữ liệu từ nhiều trạm cố định để nâng cao độ chính xác của kết quả đo. Việc áp dụng phương pháp này trong thực tiễn đã cho thấy những kết quả khả quan.

3.1. Quy trình đo GPS động xử lý sau

Quy trình đo GPS động xử lý sau bao gồm các bước như thiết lập trạm cố định, thu thập dữ liệu từ trạm động và xử lý dữ liệu để xác định tọa độ chính xác. Mỗi bước trong quy trình này đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả cuối cùng đạt yêu cầu.

3.2. Ưu điểm của phương pháp đo GPS động xử lý sau

Phương pháp đo GPS động xử lý sau có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều trạm cố định, nâng cao độ chính xác và giảm thiểu thời gian đo đạc. Điều này giúp cải thiện hiệu quả công việc trong lĩnh vực địa chính.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp đo GPS động trong địa chính

Phương pháp đo GPS động đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều dự án đo đạc địa chính. Các kết quả từ việc áp dụng phương pháp này cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ chính xác và hiệu quả công việc.

4.1. Kết quả nghiên cứu tại quận Nam Từ Liêm Hà Nội

Nghiên cứu tại quận Nam Từ Liêm cho thấy việc áp dụng phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định đã mang lại kết quả khả quan. Độ chính xác của các điểm đo được cải thiện rõ rệt, đáp ứng yêu cầu trong công tác quản lý đất đai.

4.2. Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả ứng dụng GPS trong địa chính

Để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ GPS trong đo đạc địa chính, cần có các giải pháp như cải thiện quy trình đo đạc, tăng cường đào tạo nhân lực và đầu tư vào thiết bị hiện đại. Những giải pháp này sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng công nghệ GPS trong thực tiễn.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu phương pháp đo GPS động

Nghiên cứu phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực địa chính. Tương lai của phương pháp này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và mang lại nhiều giá trị cho công tác quản lý đất đai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong quản lý đất đai

Nghiên cứu phương pháp đo GPS động không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong đo đạc địa chính mà còn đóng góp vào việc quản lý tài nguyên đất đai hiệu quả hơn. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong bối cảnh phát triển bền vững.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ GPS trong tương lai

Công nghệ GPS đang không ngừng phát triển với nhiều cải tiến về thiết bị và phần mềm. Tương lai của phương pháp đo GPS động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực địa chính.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đã trở thành công cụ quan trọng trong đo đạc địa chính với độ chính xác cao và khả năng ứng dụng rộng rãi. Tại Việt Nam, từ những năm 1990, công nghệ GPS đã được triển khai để xây dựng mạng lưới khống chế tọa độ quốc gia, phủ trùm 63 tỉnh thành với hơn 12.631 điểm tọa độ hạng III. Tuy nhiên, phương pháp đo GPS tĩnh truyền thống đòi hỏi thời gian quan trắc dài và công tác chuẩn bị phức tạp, làm giảm hiệu quả công việc. Trong bối cảnh đó, phương pháp đo GPS động xử lý sau (Post Processing Kinematic - PPK) với máy thu một tần số và nhiều trạm cố định được nghiên cứu nhằm nâng cao năng suất và độ chính xác trong đo đạc địa chính.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng và hiệu quả sử dụng phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số khi sử dụng nhiều trạm cố định, dựa trên kết quả thử nghiệm tại quận Nam Từ Liêm, Hà Nội. Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh độ chính xác khi sử dụng một trạm cố định và nhiều trạm cố định, đồng thời đề xuất phương án bố trí trạm đo hợp lý nhằm tối ưu hóa kết quả đo. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực thử nghiệm rộng khoảng 30 ha tại quận Nam Từ Liêm, với điều kiện địa hình đa dạng từ thông thoáng đến có nhiều địa vật che khuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng rộng rãi phương pháp đo GPS động xử lý sau trong đo đạc địa chính, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý đất đai, giảm thiểu chi phí và thời gian đo đạc, đồng thời đảm bảo độ chính xác theo các tiêu chuẩn quốc gia về bản đồ địa chính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình đo pha GPS: Phương pháp đo pha sóng tải L1 với độ chính xác cao (1–5 mm + 1 ppm), trong đó số nguyên chu kỳ (integer ambiguity) là tham số quan trọng cần xác định để đạt độ chính xác tối ưu. Mô hình toán học bao gồm các thành phần sai số do tầng điện ly, tầng đối lưu, sai số đồng hồ vệ tinh và máy thu, hiện tượng đa tuyến (multipath) và sai số ngẫu nhiên.

• Trị đo phân sai GPS: Sử dụng trị đo phân sai đơn, phân sai đúp và phân sai ba để loại bỏ hoặc giảm thiểu các sai số đồng hồ và khí quyển. Trị đo phân sai đúp được sử dụng phổ biến nhất trong đo pha GPS với yêu cầu giải số nguyên chu kỳ, trong khi trị đo phân sai ba giúp loại bỏ số nguyên chu kỳ nhưng chịu ảnh hưởng lớn từ các yếu tố môi trường.

• Kỹ thuật đo GPS động xử lý sau (PPK): Phương pháp đo tương đối với máy thu một tần số, sử dụng một hoặc nhiều trạm cố định (Base) và máy thu động (Rover). Thời gian đo tại điểm ngắn, yêu cầu khởi đo (initialization) để xác định số nguyên chu kỳ trước khi đo. Kỹ thuật này không cần truyền dữ liệu thời gian thực, cho phép tầm hoạt động lên đến 50 km.

• Chỉ số DOP (Dilution of Precision): Đánh giá ảnh hưởng của đồ hình vệ tinh đến độ chính xác định vị, trong đó PDOP và GDOP là các chỉ số quan trọng. Giá trị DOP càng nhỏ thì độ chính xác càng cao.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ thử nghiệm đo GPS động xử lý sau với máy thu một tần số tại khu vực quận Nam Từ Liêm, Hà Nội. Khu vực thử nghiệm có diện tích khoảng 30 ha, bao gồm các điểm trạm Base và Rover được bố trí hợp lý, với các điểm khống chế tọa độ chính xác trong hệ tọa độ quốc gia VN-2000.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các điểm đo trong khu vực thử nghiệm với điều kiện thu tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh đồng thời, thời gian đo tối đa 36 epoch (khoảng 3 phút) cho mỗi điểm chi tiết. Sử dụng từ 1 đến 3 trạm Base để so sánh hiệu quả.

• Phương pháp phân tích: So sánh kết quả đo GPS động xử lý sau với kết quả đo tĩnh truyền thống để đánh giá độ chính xác. Phân tích sai số tọa độ phẳng và độ cao trung bình, sử dụng các chỉ số thống kê và biểu đồ sai số theo số lượng trạm Base và thời gian đo. Phân tích ảnh hưởng của bố trí trạm Base và các nguồn sai số.

• Timeline nghiên cứu: Thực hiện khảo sát, thu thập số liệu và xử lý trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 9 năm 2014, bao gồm công tác chuẩn bị thiết bị, đo thực địa, xử lý số liệu và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của số lượng trạm Base đến độ chính xác: Kết quả thử nghiệm cho thấy khi sử dụng một trạm Base, sai số tọa độ phẳng trung bình đo PPK khoảng 0,05 m, trong khi sử dụng hai trạm Base giảm xuống còn khoảng 0,03 m, và ba trạm Base tiếp tục giảm xuống khoảng 0,02 m. Sai số độ cao cũng giảm tương ứng từ khoảng 0,07 m xuống còn 0,04 m khi tăng số lượng trạm Base.

2. Ảnh hưởng của thời gian đo (epoch) đến sai số: Với thời gian đo 2 epoch, sai số tọa độ phẳng trung bình là khoảng 0,06 m, tăng thời gian đo lên 3 epoch giảm sai số xuống 0,04 m, và 5 epoch tiếp tục giảm xuống 0,02 m. Điều này cho thấy thời gian đo càng dài, độ chính xác càng được cải thiện.

3. Bố trí trạm Base hợp lý: Bố trí các trạm Base tạo thành tam giác đều và đối xứng với khu vực đo giúp giảm thiểu sai số do ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu. Đồ hình đo hợp lý làm tăng độ tin cậy và độ chính xác của kết quả.

4. Khả năng khắc phục trượt chu kỳ: Sử dụng nhiều trạm Base giúp phát hiện và khắc phục hiện tượng trượt chu kỳ (cycle slip) hiệu quả hơn, đảm bảo lời giải Fixed solution cho các cạnh đáy, từ đó nâng cao độ tin cậy của kết quả đo.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau giúp cải thiện đáng kể độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo đạc địa chính. Việc giảm sai số tọa độ phẳng và độ cao trung bình khi tăng số lượng trạm Base phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về kỹ thuật đo pha GPS. Thời gian đo cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được lời giải Fixed solution, phù hợp với nguyên tắc kỹ thuật đo động.

Bố trí trạm Base theo đồ hình tam giác đều giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các sai số khí quyển và tăng khả năng bình sai kết quả đo, điều này phù hợp với lý thuyết về ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu. Ngoài ra, việc sử dụng nhiều trạm Base còn giúp phát hiện và xử lý hiện tượng trượt chu kỳ, một trong những nhược điểm lớn của phương pháp đo động xử lý sau.

So với phương pháp đo tĩnh truyền thống, phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm Base cho năng suất lao động cao hơn, thời gian đo ngắn hơn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác trong giới hạn cho phép của bản đồ địa chính tỷ lệ lớn. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng công nghệ GPS vào đo đạc địa chính tại Việt Nam, đặc biệt trong các khu vực đô thị và vùng có địa hình phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sai số vị trí điểm và độ cao theo số lượng trạm Base và thời gian đo, cũng như bảng tổng hợp sai số trung bình để minh họa rõ ràng sự cải thiện độ chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau: Khuyến nghị các đơn vị đo đạc địa chính bố trí ít nhất hai trạm Base trong khu vực đo để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy kết quả. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án đo đạc hiện tại và tương lai.

2. Thiết kế đồ hình trạm Base hợp lý: Đề xuất bố trí các trạm Base thành tam giác đều hoặc đối xứng với khu vực đo nhằm giảm thiểu sai số khí quyển và tăng hiệu quả bình sai. Chủ thể thực hiện: các đơn vị khảo sát và thiết kế mạng lưới đo đạc.

3. Tối ưu hóa thời gian đo tại mỗi điểm: Khuyến khích tăng thời gian đo lên ít nhất 3-5 epoch để đảm bảo lời giải Fixed solution, từ đó nâng cao độ chính xác. Thời gian thực hiện: trong quá trình lập kế hoạch đo đạc.

4. Đào tạo kỹ thuật viên về kỹ thuật đo động xử lý sau và xử lý trượt chu kỳ: Tổ chức các khóa đào tạo nâng cao kỹ năng khởi đo, phát hiện và xử lý trượt chu kỳ nhằm giảm thiểu sai sót trong thực địa. Chủ thể thực hiện: các cơ sở đào tạo và đơn vị đo đạc.

5. Phát triển phần mềm xử lý số liệu hỗ trợ đa trạm Base: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng phần mềm có khả năng xử lý số liệu từ nhiều trạm Base để tận dụng tối đa lợi thế của phương pháp. Thời gian thực hiện: trung hạn, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các đơn vị đo đạc và bản đồ địa chính: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm Base, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong công tác đo đạc.

2. Cơ quan quản lý nhà nước về đất đai và tài nguyên môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách, quy định và hướng dẫn kỹ thuật về ứng dụng công nghệ GPS trong quản lý đất đai, đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật và hiệu quả quản lý.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành trắc địa - bản đồ: Tài liệu tham khảo quan trọng cho nghiên cứu phát triển kỹ thuật đo đạc, đào tạo sinh viên và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực quản lý đất đai và công nghệ GPS.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị GPS: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và thực tiễn ứng dụng để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu đo đạc địa chính tại Việt Nam, đặc biệt là các máy thu một tần số và phần mềm xử lý số liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp đo GPS động xử lý sau khác gì so với đo tĩnh truyền thống?
   Phương pháp đo GPS động xử lý sau (PPK) cho phép đo nhanh hơn với thời gian dừng tại điểm ngắn (vài phút), không cần truyền dữ liệu thời gian thực, trong khi đo tĩnh yêu cầu thời gian quan trắc dài (từ 30 phút đến vài giờ). PPK phù hợp với đo chi tiết và lưới khống chế cấp thấp, đảm bảo độ chính xác trong giới hạn cho phép.

2. Tại sao cần sử dụng nhiều trạm cố định trong đo GPS động xử lý sau?
   Sử dụng nhiều trạm Base giúp tăng độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo, giảm thiểu sai số do tầng điện ly, tầng đối lưu và sai số ngẫu nhiên, đồng thời giúp phát hiện và xử lý hiện tượng trượt chu kỳ hiệu quả hơn.

3. Thời gian đo tối ưu cho mỗi điểm trong phương pháp đo GPS động xử lý sau là bao lâu?
   Thời gian đo từ 3 đến 5 epoch (tương đương 30 giây đến 1 phút) được khuyến nghị để đảm bảo lời giải Fixed solution, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo.

4. Phương pháp này có thể áp dụng trong khu vực đô thị đông đúc không?
   Phương pháp đo GPS động xử lý sau yêu cầu khu vực đo phải thông thoáng để đảm bảo thu tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh đồng thời. Trong khu vực đô thị đông đúc hoặc nhiều vật cản, việc áp dụng có thể gặp khó khăn do hiện tượng trượt chu kỳ và đa tuyến tín hiệu.

5. Làm thế nào để chuyển đổi tọa độ từ hệ WGS-84 sang hệ tọa độ địa phương?
   Có thể sử dụng phương pháp quy chuẩn hệ tọa độ bằng 7 tham số chuyển đổi (3 tham số dịch gốc tọa độ, 3 tham số góc xoay, 1 tham số tỷ lệ) hoặc sử dụng tập hợp điểm trùng có tọa độ trong cả hai hệ để tính toán tham số chuyển đổi cục bộ.

Kết luận

• Phương pháp đo GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định nâng cao đáng kể độ chính xác và độ tin cậy trong đo đạc địa chính so với sử dụng một trạm Base đơn lẻ.
• Thời gian đo và bố trí trạm Base hợp lý là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng kết quả đo.
• Kỹ thuật này phù hợp với các khu vực thông thoáng, có thể áp dụng hiệu quả trong đo vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ lớn và thành lập lưới khống chế cấp thấp.
• Việc ứng dụng rộng rãi phương pháp này góp phần nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí và thời gian đo đạc trong quản lý đất đai.
• Các bước tiếp theo bao gồm đào tạo kỹ thuật viên, phát triển phần mềm xử lý đa trạm Base và triển khai thử nghiệm mở rộng tại các khu vực khác.

Hành động đề xuất: Các đơn vị đo đạc địa chính và cơ quan quản lý nên nghiên cứu, áp dụng và phát triển phương pháp đo GPS động xử lý sau với nhiều trạm cố định để nâng cao hiệu quả công tác đo đạc và

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về công nghệ GPS Chương 2. Cơ sở khoa học của kỹ thuật đo GPS động xử lý sau Chương 3. Thử nghiệm đo đạc địa chính bằng phương pháp GPS động xử lý sau bằng máy thu một tần số với nhiều trạm cố định trên địa bàn quận Nam Từ Liêm, thành phố Hà Nội.

4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GPS 1. Sự hình thành của hệ thống GPS Từ những năm 60 của thế kỷ XX, 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 thống TRANSIT được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó thì 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 giá trị nhất của hệ thống TRANSIT.

Định vị bằng hệ thống TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ đạt cỡ 1m. Do vậy, trong trắc địa thì hệ thống TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn được các ứng dụng trong đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân dụng [6]. Tiếp theo thành công của hệ thống TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing And Ranging – Global Poisitioning System) gọi tắt là GPS.

Hệ thống này bao gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh Trái đất theo những quỹ đạo xác định. Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ thống TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. 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 "Block I" [4].

Từ năm 1978 đến 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay một số vệ tinh thuộc khối I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh đã triển khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ 20.

Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III (Block III) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu phóng vào năm 1955. Vào tháng 4 năm 2007, có tổng số 30 vệ tinh của hệ thống GPS đang được hoạt động trên quỹ đạo [1]. Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ thống GLONASS của CHLB Nga nhưng không được thương mại hoá rộng rãi và một hệ 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của Cộng đồng Châu Âu. Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công tác đo lưới khống chế.

Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những năm đầu thập kỷ 1990. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu sau một thời gian ngắn đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên, thượng nguồn sông Bé, Cà Mau [6]. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ qui chiếu Quốc gia cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) [16] và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng đơn giản và hiệu quả.

Cấu trúc của hệ thống GPS GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp và theo chức năng được chia thành 3 phần (còn gọi là đoạn – segment): - Đoạn không gian (Space Segment); - Đoạn điều khiển (Control Segment); - Đoạn sử dụng (User Segment). Cấu trúc của hệ thống GPS [1] 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Đoạn không gian Đoạn không gian gồm tối thiểu 24 vệ tinh nhân tạo bay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh gần như hình tròn, vệ tinh bay ở độ cao xấp xỉ 20.200 km so với mặt đất, bán kính quỹ đạo 26.

Vệ tinh GPS chuyển động trên quỹ đạo với chu kỳ là 718 phút, mỗi một quỹ đạo có ít nhất 4 vệ tinh. Do đó, ở bất kỳ thời gian nào và bất kỳ vị trí nào trên Trái đất trong điều kiện địa hình thông thoáng cũng có thể quan trắc được ít nhất 4 vệ tinh GPS – điều kiện tối thiểu để có thể định vị được không gian 3 chiều. Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS Hình 1. Vệ tinh GPS đang bay trên quĩ đạo quanh Trái đất Một thành phần quan trọng của đoạn không gian là tín hiệu phát từ vệ tinh đến các máy thu.

Việc phát và thu tín hiệu vệ tinh là cơ sở để đo đạc với hệ thống GPS. 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Tín hiệu phát ra từ vệ tinh bao gồm 3 thành phần cơ bản sau [1]: - Hai sóng tải (hay sóng mang – carrier wave) trong dải tần số L (L band) là L1 và L2; - Mã giả ngẫu nhiên sử dụng để đo khoảng cách, bao gồm C/A-code và P-code (hay Y-code); - Thông báo định vị (navigation message). Mỗi vệ tinh GPS có 1 đồng hồ nguyên tử rất chính xác. Các đồng hồ này xung nhịp với tần số f0 = 10.23MHz là tần số cơ bản để tạo ra tín hiệu phát đi từ vệ tinh.

Các sóng tải có nhiệm vụ chuyển tải mã đo khoảng cách và các thông báo định vị. Vệ tinh GPS phát ra sóng tải ở 2 tần số ký hiệu là L1 và L2, các tần số này được tính từ tần số cơ bản như sau: fL1 = 154  f0 = 1575.60Mhz; Từ các tần số trên, có thể tính được bước sóng của L1 và L2 như sau: c c  L1 =  19 cm L2 =  24 cm f L1 f L2 Các mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy thu. Các mã này được gọi là giả ngẫu nhiên vì chúng có tính chất gần giống như một mã ngẫu nhiên, nhưng trong thực tế được phát sinh ra theo một thuật toán phức tạp mà ta có thể biểu diễn một cách đơn giản dưới dạng hàm số G = G(PRN) với PRN là số nguyên có giá trị từ 1 đến 36. Với mỗi một giá trị của PRN sẽ có một giả ngẫu nhiên.

Mỗi vệ tinh GPS được gán một giá trị PRN riêng và do đó nó có mã giả ngẫu nhiên riêng [1]. Có hai loại mã giả ngẫu nhiên là: - C/A-code (viết tắt của từ “clear/access code” hay “coare/acquisition code”), được phát đi ở tần số 1.023Mhz và có chu kỳ lặp lại là 1ms (cứ 1ms thì mã C/A-code lại lặp lại). Chỉ có sóng tải L1 là được điều biến bởi C/A-code, tức là mã này chỉ có trong sóng L1. - P-code (viết tắt của từ “private code” hay “precide code”), được phát đi ở tần số 10.23Mhz và có chu kỳ lặp lại là 266.4 ngày này được chia thành các khoảng 7 ngày (1 tuần) và mỗi khoảng được gán với 1 vệ tinh.

Như vậy, P-code của mỗi vệ tinh sẽ lặp lại sau 1 tuần. P-code được truyền bởi cả 2 sóng tải L1 và L2. 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Khi chế độ A/S (Anti Spoofing) được bật thì P-code mã hoá thành Y-code và người dùng dân sự không sử dụng được. - Các thông báo định vị (Navigation message) chứa các thông tin dự báo về: + Lịch vệ tinh; + Các hệ số của mô hình dùng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ của vệ tinh; + Trạng thái của vệ tinh (đang hoạt động, ngừng hoạt động, sửa chữa,…); + Các thông số của mô hình mô tả ảnh hưởng của tầng điện ly.

Các thông tin dự báo trên được các trạm điều khiển cung cấp lên vệ tinh rồi truyền xuống các máy thu của người sử dụng trong các thông báo định vị. Các thông báo định vị được phát đi từng bít một (0 hay 1) cứ sau 20 chu kỳ lặp lại của mã C/A- code. Toàn bộ một thông báo định vị dài 1500bit và để truyền tải một thông báo như vậy cần 30s [10]. Cấu trúc tín hiệu GPS [1] 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Đoạn điều khiển Đoạn điều khiển bao gồm các thiết bị để điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái (sức khoẻ) của vệ tinh, theo dõi quỹ đạo, tính toán lịch vệ tinh, tải các dữ liệu lên vệ tinh. Đoạn điều khiển gồm 5 trạm mặt đất nằm ở Hawaii, Colorado Springs, đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Các trạm này có chức năng như sau [1]: - Cả 5 trạm đều là các trạm theo dõi (monitoring station) có nhiệm vụ theo dõi trạng thái hoạt động và quỹ đạo của vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều khiển chính (master control station). - Trạm điều khiển chính đặt ở căn cứ không quân Schriever AFB (Air Force Base) ở Colorado Springs, có nhiệm vụ xử lý dữ liệu thu nhận được từ các trạm khác để tính toán lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.

Đây cũng là trạm ra các lệnh điều khiển hệ thống như thay đổi đường bay của vệ tinh, tắt / bật các chế độ mã hoá,… - Ba trạm ở đảo Ascension, Diego Garcia và Kwajalein có chức năng tải dữ liệu lên các vệ tinh (bao gồm lịch vệ tinh, số liệu hiệu chỉnh đồng hồ để đưa vào thông báo định vị Navigation message và các lệnh từ trạm điều khiển chính). Mỗi trạm tải dữ liệu có thể quan sát được mọi vệ tinh ít nhất một lần trong ngày.