Đặt vấn đề Trong giai đoạn hiện nay, Việt Nam cùng với sự phát triển của nền công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc và hội nhập quốc tế. Song song với quá trình này là sự cải tiến thay đổi về mặt công nghệ, các tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến hiện đại, các dự án nghiên cứu ứng dụng của công nghệ mới đƣợc đẩy mạnh chính vì vậy. Sự ra đời của hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) đã mang lại một diện mạo mới cho các lĩnh vực ứng dụng công nghệ GPS nói chung và ngành trắc địa nói riêng. Từ những năm 80, khi mà hệ thống định vị toàn cầu GPS đƣợc phía Mỹ cho phép khai thác trong lĩnh vực dân sự thì các ứng dụng của nó trong trắc địa có những ƣu điểm hơn hẳn với công nghệ đo đạc truyền thống.
Đó là khả năng đo nhanh, độ chính xác cao và đo trong mọi điều kiện thời tiết, bất kỳ thời điểm trên phạm vi toàn cầu. Sau Mỹ, Nga cũng xây dựng hệ thống định vị toàn cầu Glonass (Global Navigation satellite system) với nguyên lý hoạt động tƣơng tự hệ thống GPS. GPS đƣợc đƣa vào nƣớc ta sử dụng từ năm 1990 và chủ yếu phục vụ xây dựng các mạng lƣới quốc gia và các lƣới cạnh dài phục vụ đo vẽ bản đồ, hoặc đo nối toạ độ từ đất liền đến các đảo xa. Cùng với sự phát triển của hệ thống GPS thì máy thu GPS là phần cứng quan trọng trong đoạn sử dụng.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hãng sản xuất máy thu GPS cũng cho ra đời các máy thu thế hệ mới ngày càng gọn nhẹ, hoàn thiện hơn về tính năng sử dụng. với khả năng này máy sẽ cho kết quả đo nhanh, độ chính xác cao đối với cạnh đáy dài. Nó có thể phục vụ cho rất nhiều mục đích khác nhau, cho nhiều ngành nhƣ: trắc địa, thuỷ văn, xây dựng, quốc phò n 2 Hiện nay ở nƣớc ta việc đo đạc theo các phƣơng pháp truyền thống chi phí rất tốn kém và rất khó thực hiện. Do đó công nghệ GPS đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng lƣới khống chế cũng nhƣ các dạng lƣới khác phục vụ từ khảo sát thiết kế đến thi công các công trình.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế và khả năng ứng dụng của các máy thu GPS nói trên, đƣợc sự đồng ý của khoa Quản lý Tài nguyên, trƣờng Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên, em đã nghiên cứu đề tài tốt nghiệp “Ứng dụng công nghệ GPS thành lập lưới không chế mặt bằng đo vẽ tại xã Nhạo Sơn - huyện Sông Lô - tỉnh Vĩnh Phúc”. Mục tiêu tổng quát Ứng dụng công nghệ GPS thành lập lƣới khống chế mặt bằng đo vẽ phục vụ công tác đo vẽ và thành lập bản đồ địa chính. Mục tiêu cụ thể Tìm hiểu và nghiên cứu các vấn đề về điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội xã Nhọa Sơn đầy đủ và chính xác. Thành lập đƣợc lƣới khống chế mặt bằng đo vẽ đạt yêu cầu kỹ thuật bằng công nghệ GPS trên địa bàn xã Nhạo Sơn - Huyện Sông Lô - Tỉnh Vĩnh Phúc.
Đề xuất đƣợc các giải pháp nhằm thực hiện tốt công tác xây dựng lƣới GPS tại xã Nhạo Sơn. Ý nghĩa của đề tài Nhận biết các phƣơng pháp thành lập lƣới, phần mềm bình sai,những ƣu nhƣợc điểm của từng loại. Thấy đƣợc vai trò quan trọng của công nghệ GPS trong công tác đo đạc nói chung và công tác thành lập lƣới không chế trắc địa nói riêng. n 3 Công nghệ GPS là công nghệ mới, làm thay đổi hẳn quan niệm về đo đạc trong công tác trắc địa bản đồ.
Ứng dụng GPS là bƣớc phát triển mới cho phép thành lập lƣới không chế trắc địa có độ chính xác đạt yêu cầu kỹ thuật đô vẽ bản đồ. Có những tính năng ƣu việt so với phƣơng pháp truyền thống. GPS là phƣơng pháp đo đạc khoa học, đáp ứng yêu cầu của công tác tự động hóa đo vẽ bản đồ, phù hợp với việc tổ chức, quản lý số liệu trong các hệ thống quản trị dữ liệu trong máy tính. Với những tính năng ƣu việt, kỹ thuật đo GPS là phƣơng pháp mới áp dụng không chỉ tốt trong ngành địa chính mà còn ứng dụng trong nhiều ngành nhƣ: Giao thông, Thủy lợi, Xây dựng, Nông nghiệp… n 4 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống định vị toàn cầu GPS 2. Lịch sử ra đời Hệ thống định vị toàn cầu là hệ thống dùng để định vị và đạo hàng, hệ thống này ra đời nhằm đáp ứng ý tƣởng sử dụng vệ tinh nhân tạo của trái đất vào mục đích định vị và dẫn đƣờng trên mặt đất, ít phụ thuộc vào thời tiết và thời điểm trong ngày. Nó đã đƣợc các nhà khoa học Liên xô và Mỹ đề cập đến từ những năm của thập niên 50 - 60, khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của trái đất (vệ tinh Sputnhic-1) vào năm 1957, từ đó các nhà khoa học quân sự của hai nƣớc và các nhà khoa học trên thế giới đã tiếp tục nghiên cứu và đã đạt đƣợc những thành công trong việc sử dụng các vệ tinh của mình. Để xác định vị trí điểm trên mặt đất hoặc trên đại dƣơng phục vụ cho việc dẫn đƣờng tàu, thuyền, máy bay và các phƣơng tiện quân sự khác.
Bƣớc đầu các hệ thống định vị vệ tinh khu vực đƣợc xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu định vị chính xác cao cho cả một vùng rộng lớn mà ít phụ thuộc vào các điều kiện không gian và thời gian. Ngƣời ta đã xây dựng các hệ thống định vị vệ tinh khu vực trong đó vệ tinh thƣờng đƣợc sử dụng là vệ tinh địa tĩnh. Một số hệ thống định vị vệ tinh đƣợc xây dựng thuộc loại này nhƣ: - Hệ thống STAR- FIX. - Hệ thống EUTELTRACS và hệ thống OMNITRACS.
- Hệ thống NAVSTAR Vào đầu những năm của thập niên 60 thì hệ thống định vị toàn cầu đƣợc ra đời nhƣ: - Hệ thống TRANSIT của Mỹ. - Hệ thống TSICADA của Liên xô. n Vào khoảng giữa những năm 60 Bộ quốc phòng Mỹ khuyến khích xây dựng một hệ thống đạo hàng vệ tinh hoàn hảo hơn so với hệ thống TRANSIT. ý tƣởng chính của đề án do Hải quân Mỹ đề xuất là sử dụng khoảng cách đo từ các điểm trên mặt đất đến vệ tinh trên cơ sở biết chính xác tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, đề án có tên là TIMATION.
Các công trình nghiên cứu tƣơng tự cũng đƣợc không quân Mỹ tiến hành trong khuôn khổ chƣơng trình mang mã số 621B. Song từ năm 1973 Bộ quốc phòng Mỹ quyết định đình chỉ cả hai chƣơng trình này để triển khai phối hợp nghiên cứu xây dựng hệ thống đạo hàng vô tuyến vệ tinh trên cơ sở các kết quả của chƣơng trình TRANSIT và hai chƣơng trình vừa nói tới. Hệ thống này có tên gọi đúng là NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Postioning System). Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống là xác định toạ độ không gian và tốc độ chuyển động của điểm xét trên tàu vũ trụ, máy bay, tàu thuỷ và trên đất liền phục vụ cho Bộ quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự.
Khi đƣợc hoàn tất, hệ thống sẽ gồm có 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, các vệ tinh quay trên 6 quỹ đạo hầu nhƣ tròn, ở độ cao cỡ 20000km với chu kỳ sấp xỉ 12 giờ. Với cách bố trí này thì trong suốt 24 giờ tại bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng sẽ quan sát đƣợc ít nhất 4 vệ tinh. Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống đƣợc phóng lên quỹ đạo vào tháng 2 năm 1978, toàn bộ hệ thống đƣợc đƣa vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994. Song hành với hệ thống NAVSTAR GPS, một hệ thống định vị toàn cầu tƣơng tự mang tên GLONASS (Global Navigation Satellite System) do Liên Xô chế tạo cũng đã đƣợc đƣa và sử dụng năm 1982.
Hệ thống cũng gồm 24 vệ tinh nhƣng quay trong 3 mặt phẳng quỹ đạo từ 18840km đến 19940km, trên mỗi quỹ đạo các vệ tinh có độ giãn cách là 450, chu kỳ quay cỡ 676 phút. Với đúng nghĩa là hệ thống định vị toàn cầu GPS, cả NAVSTAR và LONASS cùng cho phép thực hiện định vị cho bất kỳ điểm xét nào, vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày và với bất kỳ điều kiện thời tiết nào. Đã có những dự án phối hợp khai thác hệ thống này để nâng cao hiệu quả trên phạm vi toàn cầu. n * Đặc điểm và tính năng của hệ thống định vị toàn cầu GPS Khi mới ra đời hệ thống GPS chỉ có quân sự Mỹ đƣợc độc quyền khai thác, sử dụng vào mục đích quân sự.
Từ năm 1980 chính phủ Mỹ cho phép chính thức hệ thống GPS đƣợc sử dụng cho mục đích dân sự, từ đó các nhà khoa học của nhiều nƣớc đã ra sức nghiên cứu phát triển công nghệ GPS để đạt đƣợc những thành quả cao nhất trong việc phát huy nguồn tiềm năng to lớn này. Hƣớng nghiên cứu chủ yếu đi vào các lĩnh vực: - Chế tạo máy thu tín hiệu. - Xây dựng phần mềm xử lý tín hiệu, đáp ứng cho nhiều mục đích. - Thiết lập và phát triển công nghệ ứng dụng trong chuyên ngành.
Công nghệ GPS có đặc điểm ƣu việt hơn hẳn các công nghệ truyền thống ở các mặt: - Xác định trực tiếp các thành phần toạ độ không gian với độ chính xác cao (cả toạ độ mặt bằng, độ cao). - Rất linh hoạt trong bố trí điểm đo, có thể đo trong hầu hết các thời điểm và thời tiết. - Khả năng tự động hoá rất cao, cả trong đo ngoại nghiệp và xử lý số liệu nội nghiệp. Chính vì tính ƣu việt này mà công nghệ GPS đƣợc ứng dụng ở nhiều ngành với nhiều chức năng khác nhau, nhất là trong lĩnh vực trắc địa.
Cấu tạo của hệ thống định vị toàn cầu Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm ba bộ phận cấu thành, đó là đoạn không gian (Space Segment), đoạn điều khiển (Control Segment) đoạn sử dụng (User Segment). Chúng tôi xin trình bày cụ thể về từng bộ phận cấu thành của hệ thống nhƣ sau: n Hình 2. Cấu trúc của hệ thống định vị toàn cầu a) Đoạn không gian (Space Segment) Đoạn này gồm 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ, quay trên 6 mặt phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo của trái đất.