Những vấn đề cơ bản về điểm khống chế ngoại nghiệp và công nghệ dùng để đo nối
Quy trình thành lập bản đồ bằng phương pháp đo ảnh
Trong trắc địa, phương pháp đo ảnh, hay còn gọi là phương pháp trắc địa ảnh, là một kỹ thuật cơ bản để đo vẽ bản đồ địa hình và địa chính Đặc biệt, phương pháp trắc địa ảnh hàng không đóng vai trò chủ yếu trong việc đo vẽ các loại bản đồ với tỷ lệ khác nhau, đặc biệt là bản đồ địa hình trung bình và nhỏ Quá trình đo ảnh bao gồm hai bước cơ bản.
- Quá trình thu nhận hình ảnh thông tin ban đầu của đối tượng đo
- Quá trình dựng lại và đo đạc trên mô hình của đối tượng đo từ hình ảnh chụp hoặc các thông tin thu được
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, phương pháp đo ảnh đã đáp ứng tốt nhu cầu đa dạng trong việc lập bản đồ địa hình và địa chính Việc lựa chọn quy trình công nghệ đo vẽ để thành lập bản đồ bằng phương pháp ảnh phụ thuộc vào đặc điểm địa hình, quy mô khu đo và các điều kiện kỹ thuật cụ thể Tổng quát, quy trình công nghệ của phương pháp ảnh có thể được mô tả như sau.
Công tác tăng dày khống chế ảnh
Các kết quả đo vẽ
Hình 1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ tổng quát của phương pháp đo ảnh.
Vị trí và nhiệm vụ của công tác đo nối khống chế ảnh đối với công tác đo ảnh
Trong công tác đo vẽ ảnh hàng không, các điểm khống chế đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí không gian trong hệ tọa độ trắc địa của chùm tia hoặc các mô hình lập thể từ ảnh bay Do đó, việc xác định các yếu tố định hướng ngoài của ảnh hàng không thường không được thực hiện thông qua các phương pháp đo vẽ ảnh quang cơ, đo vẽ ảnh giải tích và đo vẽ ảnh số.
Công tác đo nối KC Công tác bay chụp ảnh Công tác điều vẽ
Các quá trình xử lý và đo vẽ ảnh trong phòng bao gồm phương pháp đo ảnh đơn và phương pháp đo ảnh lập thể Những điểm địa vật được xác định và đánh dấu trên các ảnh đo, đồng thời tọa độ của chúng được xác định trong hệ tọa độ trắc địa.
Điểm khống chế ảnh có thể được xác định thông qua hai phương pháp: đo đạc ngoài thực địa, được gọi là điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, và đo đạc trong phòng, được gọi là điểm khống chế tăng dày.
Các điểm khống chế được xác định bằng phương pháp đo đạc ngoài trời và được đánh dấu trên ảnh đo, tạo thành lưới khống chế tăng dày, gọi là điểm đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp Công tác này bao gồm bố trí điểm, đo đạc và đánh dấu vị trí trên ảnh đo Tuy nhiên, việc đo đạc tất cả các điểm khống chế ngoài thực địa sẽ làm tăng khối lượng công việc Do đó, trong phương pháp đo ảnh, người ta áp dụng các tính chất hình học cơ bản của ảnh để phát triển các phương pháp đo đạc trong phòng, nhằm xác định tọa độ trắc địa của các điểm khống chế, thay thế cho công tác đo đạc ngoài trời Công việc này được gọi là tăng dày khống chế ảnh.
Công tác đo nối khống chế ảnh đóng vai trò then chốt trong quy trình đo vẽ ảnh, là một phần quan trọng trong việc tăng cường khống chế ảnh Điều này được thể hiện rõ qua sơ đồ quy trình công nghệ phần I.1, cho thấy rằng đo nối khống chế ảnh là một khâu thiết yếu trong toàn bộ quy trình công nghệ đo vẽ.
Công tác đo nối khống chế ảnh có nhiệm vụ xác định tọa độ trắc địa của các điểm khống chế, giúp đánh dấu vị trí trên ảnh để liên kết các đối tượng đo vẽ trong phòng với thực địa Bên cạnh đó, công việc này còn bao gồm tính toán các yếu tố định hướng ngoài của ảnh.
Các yêu cầu cơ bản đối với điểm khống chế ảnh
I.3.1 Độ chính xác của điểm khống chế ảnh :
I.3.1.1 Sai số trung phương vị trí mặt phẳng của điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ ngoại nghiệp so với vị trí điểm tọa độ quốc gia gần nhất sau bình sai tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập không vượt quá 0,1 mm ở vùng quang đãng và 0,15 mm ở vùng ẩn khuất.
I.3.1.2 Sai số trung phương độ cao của điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ sau bình sai so với điểm độ cao quốc gia gần nhất không vượt quá 1/10 khoảng cao đều đường bình độ cơ bản ở vùng quang đãng và 1/5 khoảng cao đều đường bình độ cơ bản ở vùng ẩn khuất.
I.3.2 Sai số giới hạn của vị trí địa vật; của độ cao đường bình độ, độ cao điểm đặc trưng địa hình, độ cao điểm ghi chú độ cao; của vị trí mặt phẳng và độ cao điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, điểm khống chế đo vẽ không được vượt quá
Trong quá trình kiểm tra, sai số lớn nhất không được vượt quá sai số giới hạn quy định tại Mục I.3.1 Số lượng trường hợp có sai số vượt hạn nhưng nhỏ hơn sai số giới hạn phải đảm bảo không quá 5% tổng số trường hợp kiểm tra về mặt phẳng, không quá 5% ở vùng quang đãng và 10% ở vùng khó khăn, ẩn khuất Tất cả các sai số đều phải tránh mang tính hệ thống.
I.3.3 Thiết kế, đo nối điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp:
I.3.2.1 Nguyên tắc thiết kế điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp: a) Các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phải khống chế được toàn bộ diện tích đo vẽ Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp là điểm rõ nét có cả trên ảnh và ngoài thực địa, phải bố trí vào các vị trí ít nhất có độ phủ 3 với các điểm nằm trên một tuyến bay; độ phủ 4,6 với các điểm nằm trên hai tuyến bay và cách mép ảnh không nhỏ hơn 1cm
Khi sử dụng công nghệ GPS để đo nối các điểm khống chế ảnh, cần thiết kế các điểm này ở vị trí thoáng đãng, có khả năng thu sóng vệ tinh tốt và tránh xa các nguồn phát sóng gây nhiễu như trạm truyền phát tín hiệu vô tuyến hay đài phát thanh Khoảng cách giữa các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phải đáp ứng yêu cầu về khoảng cách trong lưới đo GPS và tương đương với cấp hạng lưới Mật độ và vị trí của các điểm này phụ thuộc vào chương trình tăng dày nội nghiệp và phải được tính toán để đảm bảo độ chính xác về tọa độ mặt phẳng và độ cao của điểm chi tiết trên bản đồ Thiết kế điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp cần tuân theo sơ đồ cụ thể trong khối tăng dày.
Trong sơ đồ trên: là điểm khống chế tổng hợp (X, Y, H); là điểm khống chế độ cao;
Công thức tính toán số lượng mô hình giữa các điểm khống chế ảnh: a) Khi tăng dày mặt phẳng:
0.25 3 s xy m = m n b) Khi tăng dày độ cao:
- ms là sai số trung phương về mặt phẳng.
- mh là sai số trung phương về độ cao.
- mp, q là sai số trung phương đo thị sai đo tọa độ trên trạm xử lý ảnh số.
- mxy là sai số trung phương đo tọa độ độ ảnh.
- H là chiều cao bay chụp.
- b là cạnh đáy ảnh. Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp có ba loại sau đây:
- Điểm khống chế tổng hợp : xác định cả toạ độ mặt phẳng và độ cao
- Điểm khống chế mặt phẳng
- Điểm khống chế độ cao
Các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, bất kể phương pháp xác định nào, đều cần đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, khối lượng và vị trí của điểm quy định.
Số lượng điểm và phương án bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp phụ thuộc vào độ chính xác cần đạt cho nhiệm vụ đo vẽ cụ thể Với sự phát triển của các phương pháp tam giác ảnh hiện đại, độ chính xác và hiệu quả trong công tác tăng dày đã được nâng cao, cho phép giảm số lượng điểm khống chế ngoại nghiệp tới mức tối thiểu và linh hoạt trong việc bố trí điểm.
Hình 1.2 Các phương án bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp
Hình 1.2.1 Phương pháp bố trí điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp cho lưới có tuyến bay chặn.
Hình 1.2.2 Phương pháp bố trí điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp cho lưới không có tuyến bay chặn.
Ký hiệu: là điểm khống chế tổng hợp (X, Y, H) là điểm khống chế độ cao
Hình 1.2 trình bày một số ví dụ về cách bố trí điểm khống chế ngoại nghiệp cho công tác tăng dày bằng các phương pháp khác nhau Điểm kiểm tra ngoại nghiệp cần được xác định với độ chính xác tương đương như điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, và phải được bố trí tại những vị trí yếu nhất, phân bố đều trong khối tăng dày Mỗi khối phải có ít nhất một điểm kiểm tra, trong khi các khối lớn cần đảm bảo có từ 40 đến 60 mô hình với một điểm kiểm tra.
I.3.4 Chọn, chích, tu chỉnh điểm khống chế ảnh : a) Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp được chọn phải tồn tại ở thực địa và có hình ảnh rõ nét trên ảnh, đảm bảo nhận biết và chích trên ảnh với độ chính xác 0,1 mm Nếu điểm chọn vào vị trí giao nhau của các địa vật hình tuyến thì góc giao nhau phải nằm trong khoảng từ 30 0 đến 150 0 , nếu điểm chọn vào địa vật hình tròn thì
Đường kính phải nhỏ hơn 0,3 mm trên ảnh và điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp cần được chọn tại vị trí thuận lợi cho việc đo nối Điểm khống chế phải được đánh dấu bằng cọc gỗ hoặc sơn, đảm bảo ổn định trong quá trình thi công và kiểm tra Các điểm khống chế, điểm kiểm tra, và tọa độ quốc gia sẽ là cơ sở để đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp, với yêu cầu đường kính lỗ chích không vượt quá 0,15 mm Tất cả các điểm chích lên ảnh khống chế phải được tu chỉnh cả hai mặt, với các điểm được khoanh và ghi tên trên mặt phải, trong khi mặt trái sẽ có sơ đồ ghi chú chi tiết vị trí điểm Các điểm tọa độ và độ cao quốc gia không đủ điều kiện chích lên ảnh cũng cần được tu chỉnh lên mặt phải của ảnh.
Hình1.3 Tu chỉnh mặt phải ảnh khống chế
N1002 - Điểm khống chế ảnh mặt phẳng (vòng tròn màu đỏ đường kính 1 cm và số hiệu điểm màu đỏ).
H309 - Điểm khống chế ảnh độ cao (vòng tròn màu xanh đường kính 1 cm, số hiệu điểm màu xanh)
N1003 là điểm khống chế ảnh mặt phẳng với thiết kế đặc biệt, bao gồm vòng tròn ngoài màu đỏ có đường kính 1cm và vòng tròn trong màu xanh có đường kính 0,6cm Số hiệu điểm được thể hiện bằng màu đỏ, giúp dễ dàng nhận diện và sử dụng trong các ứng dụng liên quan.
11514 - Điểm toạ độ quốc gia (tam giác màu đỏ cạnh 1 cm, số hiệu điểm màu đỏ).
11521 - Điểm toạ độ quốc gia chích không chính xác (tam giác cạnh 1 cm màu đỏ; số hiệu điểm màu đỏ).
I(HN-HP)7LD - Điểm độ cao quốc gia (vòng tròn màu xanh lá cây đường kính 1 cm, số hiệu điểm màu xanh lá cây).
Hình 1.4 Tu chỉnh mặt trái ảnh khống chế
N1002 - Điểm khống chế mặt phẳng.
H309 - Điểm khống chế độ cao.
8,35 - Độ cao của điểm ; 0,6 - Tỷ cao hoặc tỷ sâu của điểm.
(Đường kính các vòng tròn đều bằng 3 mm, kích thước ô vuông 4 cm x 4 cm; nội dung tu chỉnh vẽ và ghi chú bằng chì đen).
Người chích: Lê Quốc Sáng Ngày chích: 12/6/2010 Chích ở giữa ngã 3 bờ ruộng
H309 8,35 Người chích: Lê Quốc Sáng
Ngày chích: 12/6/2008Chích ở góc bờ ruộng0,6
I.3.5 Đo nối điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp: a) Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phải được đo nối với ít nhất 2 điểm có tọa độ và độ cao quốc gia b) Đo vẽ bản đồ bằng phương pháp đo vẽ phối hợp thì tất cả các điểm khống chế ảnh đều phải xác định độ cao với độ chính xác theo quy định tại Mục I.3.1 c) Việc đo nối điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp bằng máy GPS, máy toàn đạc điện tử, máy kinh vĩ phải tuân theo quy định kỹ thuật áp dụng đối với từng loại thiết bị. d) Điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp phải được tính toán và bình sai trong hệ toạ độ quốc gia VN-2000, hệ độ cao quốc gia.
Các phương pháp đo nối khống chế ảnh
Đo nối khống chế ảnh giúp xác định tọa độ điểm khống chế, phục vụ cho việc tăng dày tam giác ảnh hoặc khống chế cho từng mô hình đơn Phương pháp đo đạc có thể sử dụng máy toàn đạc hoặc công nghệ GPS để đảm bảo độ chính xác trong quá trình thực hiện.
I.4.1 Đo nối khống chế ảnh bằng máy toàn đạc:
Hiện nay, máy toàn đạc có độ chính xác cao được sử dụng để lập lưới cơ sở và lưới đo vẽ, giúp quá trình đo vẽ diễn ra nhanh chóng và chính xác Trong việc đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp, máy toàn đạc cho phép đo góc và cạnh từ các điểm Nhà nước đến điểm khống chế ảnh đã được bố trí ngoài thực địa Sau đó, tiến hành bình sai và đánh giá độ chính xác để đảm bảo kết quả đo đạc đạt yêu cầu.
Một số tham số kỹ thuật của các máy toàn đạc điện tử
TT Tên máy Hãng sản xuất Độ chính xác đo góc ( ” ) Độ chính xác đo cạnh (mm)
Hình 1.5 Một số loại máy toàn đạc
Phương pháp đo này có nhược điểm là bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, yêu cầu các điểm phải thông hướng với nhau, và cạnh bố trí ngắn Điều này khiến cho điểm KCANN chiếm diện tích rộng, ảnh hưởng đến tính chặt chẽ của mô hình phân bố điểm và năng suất công việc.
I.4.2 Đo nối khống chế ảnh bằng công nghệ GPS:
Công nghệ GPS hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong việc xác định tọa độ điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp, giúp giảm mật độ điểm khống chế tọa độ địa chính và đảm bảo tính chặt chẽ của các mô hình phân bố điểm Trong quá trình đo nối khống chế ảnh bằng GPS, việc xác định các session đo thông qua đồ hình lưới là cần thiết Việc bình sai GPS sử dụng mô hình Geoid để làm khống chế ảnh, đồng thời cho phép sử dụng độ cao trong quá trình này.
Ví dụ: Đồ hình secsion đo bằng 3 máy thu GPS.
Các vòng khép cùng session.
Các vòng khép khác session.
Công nghệ GPS trong công tác đo nối khống chế ảnh ngoại nghiệp
Giới thiệu công nghệ GPS
II.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được phát triển để cung cấp khả năng định vị và dẫn đường chính xác, sử dụng vệ tinh nhân tạo của Trái Đất Hệ thống này hoạt động hiệu quả bất chấp điều kiện thời tiết và thời gian trong ngày, mang lại sự tiện lợi cho người dùng GPS đã được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà khoa học Liên Xô, góp phần quan trọng vào công nghệ định vị hiện đại.
Vào những năm 50-60 của thế kỷ XX, Mỹ bắt đầu chú ý đến vệ tinh khi Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên, Sputnik-1, vào năm 1957 Sự kiện này đã khơi dậy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực vệ tinh, giúp các nhà khoa học quân sự và toàn cầu đạt được nhiều thành công trong việc xác định vị trí các điểm trên mặt đất và đại dương Các hệ thống định vị vệ tinh khu vực ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu định vị chính xác cao cho các phương tiện như tàu, thuyền, máy bay và các thiết bị quân sự khác, với sự phụ thuộc ít vào điều kiện không gian và thời gian Những hệ thống này thường sử dụng vệ tinh địa tĩnh để cung cấp thông tin định vị hiệu quả.
- Hệ thống EUTELTRACS và hệ thống OMNITRACS.
Vào những năm đầu của thập niên 60 ( thế kỷ XX) thì hệ thống định vị toàn cầu được ra đời như:
- Hệ thống TRANSIT của Mỹ.
- Hệ thống TSICADA của Liên Xô.
Vào giữa những năm 60, Bộ Quốc phòng Mỹ đã khuyến khích phát triển một hệ thống định vị vệ tinh hoàn hảo hơn hệ thống TRANSIT, với ý tưởng chủ yếu từ Hải quân Mỹ về việc đo khoảng cách từ mặt đất đến vệ tinh dựa trên tốc độ và thời gian lan truyền tín hiệu vô tuyến, được gọi là TIMATION Đồng thời, Không quân Mỹ cũng thực hiện nghiên cứu trong khuôn khổ chương trình 612B Tuy nhiên, từ năm 1973, Bộ Quốc phòng Mỹ quyết định ngừng cả hai chương trình này để tập trung vào việc phát triển một hệ thống định vị vệ tinh mới dựa trên kết quả của TRANSIT và hai chương trình trước đó.
Hệ thống NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Providing Timing and Ranging Global Positioning System) có nhiệm vụ chính là xác định tọa độ và tốc độ của các đối tượng trên không gian như tàu vũ trụ, máy bay, tàu thủy và trên mặt đất, phục vụ cho Bộ Quốc phòng Mỹ và các cơ quan dân sự Khi hoàn thiện, hệ thống sẽ bao gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, với các vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo gần như tròn ở độ cao khoảng 20.200 km và chu kỳ khoảng 12 giờ Nhờ vào cách bố trí này, bất kỳ điểm nào trên trái đất cũng có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh trong suốt 24 giờ Các vệ tinh đầu tiên của hệ thống được phóng lên quỹ đạo vào ngày 22 tháng 2 năm 1978.
1993, trên 6 quỹ đạo của hệ thống GPS đã đủ 24 vệ tinh, toàn bộ hệ thống 24 vệ tinh được đưa vào hoạt động hoàn chỉnh từ tháng 5 năm 1994
II.1.2 Cấu trúc chung của hệ thống định vị toàn cầu GPS
Hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm ba bộ phận cấu thành ( hình 2.1), đó là:
- Đoạn không gian (Space Segment)
- Đoạn điều khiển (Control Segment)
- Đoạn sử dụng (User Serment)
Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm một đoạn không gian (Space Segment) với 24 vệ tinh hoạt động, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ Những vệ tinh này di chuyển trên quỹ đạo để cung cấp dịch vụ định vị chính xác.
Có 6 mặt phẳng quỹ đạo được phân bố đều nhau, nghiêng 55 độ so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất Vệ tinh di chuyển theo quỹ đạo gần như tròn, ở độ cao khoảng 20.200 km so với mặt đất, với chu kỳ quay là 718 phút (xấp xỉ 12 giờ) Nhờ vào cách phân bố này, tại bất kỳ thời điểm nào và ở bất kỳ vị trí nào trên Trái Đất, người dùng đều có thể nhìn thấy ít nhất 4 vệ tinh.
Hình 2.2 Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử với độ chính xác cao lên tới 10^-12 giây, tạo ra tín hiệu tần số cơ sở 10,23 MHz Từ tín hiệu này, các sóng tải tần số L1 (1575,42 MHz) và L2 (1227,60 MHz) được phát sinh, với các sóng tải được điều biến bằng hai loại mã khác nhau: C/A – Code và P – Code.
C/A - Code (Coarse/Acquisition) là mã thô được sử dụng cho các mục đích dân sự, điều biến sóng tải L1 với tần số 1,023 MHz Mỗi vệ tinh GPS được gán một C/A - Code riêng biệt, giúp xác định vị trí chính xác.
P-Code (Precise) là mã chính xác được sử dụng trong quân sự, điều biến cả hai sóng L1 và L2 với tần số 10,23 MHz Độ dài toàn phần của P-Code là 267 ngày, nghĩa là mã này chỉ lặp lại sau 267 ngày Tuy nhiên, P-Code được chia thành các đoạn 7 ngày, với mỗi vệ tinh được gán một đoạn mã khác nhau và thay đổi hàng tuần, khiến cho việc giải mã mà không có sự cho phép trở nên rất khó khăn.
Sóng tải L1 và L2 được điều biến bởi thông tin đạo hàng như Ephemerit của vệ tinh, thời gian hệ thống, số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh, phân bố vệ tinh trên bầu trời và tình trạng hệ thống Các thiết bị hoạt động bằng năng lượng pin mặt trời với sải cánh rộng Mặc dù tuổi thọ thiết kế của vệ tinh là 7,5 năm, nhưng nhiều vệ tinh đã hỏng sớm và đã được thay thế kịp thời.
Các nhiệm vụ chủ yếu của vệ tinh GPS:
- Nhận và lưu giữ lịch vệ tinh mới được gửi lên từ trạm điều khiển.
- Thực hiện các phép xử lý có chọn lọc trên vệ tinh bằng các bộ vi xử lý đặt trên vệ tinh.
- Duy trì khả năng chính xác cao của thời gian bằng 2 đồng hồ nguyên tử Censium và 2 đồng hồ hồng ngọc Rubidium.
- Thay đổi quỹ đạo bay của vệ tinh theo sự điều khiển của mặt đất.
Hệ thống truyền thông tin và tín hiệu hoạt động ổn định trên hai tần số L1 và L2 Đoạn điều khiển bao gồm 4 trạm quán sát mặt đất, trong đó có một trạm điều khiển trung tâm tại Colorado Springs Ngoài ra, 4 trạm theo dõi được đặt tại Hawai, Kwajalein, Ascension Island và Diego Garcia, tạo thành một vành đai bao quanh trái đất.
Hình 2.4 Các trạm điều khiển mặt đất của hệ thống GPS
Đoạn điều khiển có nhiệm vụ quản lý toàn bộ hoạt động và chức năng của các vệ tinh bằng cách theo dõi chuyển động quỹ đạo và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh Tất cả các trạm đều trang bị máy thu GPS để đo khoảng cách và thay đổi khoảng cách tới các vệ tinh có thể quan sát, đồng thời thu thập dữ liệu khí tượng Dữ liệu từ các trạm được truyền về trạm trung tâm, nơi xử lý để tạo ra các Ephemerit chính xác và điều chỉnh đồng hồ trên vệ tinh Thông tin đạo hàng và thời gian trên vệ tinh được chính xác hóa ít nhất ba lần mỗi ngày và cung cấp cho người sử dụng qua sóng tải L1 và L2 Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các thiết bị thu nhận thông tin từ vệ tinh phục vụ cho các nhu cầu khác nhau của khách hàng trên không, trên biển và trên đất liền, từ máy thu độc lập cho đến các nhóm máy thu hoạt động đồng thời hoặc chế độ máy thu chủ phát tín hiệu cho các máy thu khác.
Bộ phận người sử dụng bao gồm tất cả mọi người sử dụng quân sự và dân sự.
Phân loại máy thu: Có 4 loại máy thu GPS như sau:
Nhóm 1: Máy thu chỉ xử lý duy nhất mã C/A trên tần số L1
Nhóm 2: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang L1 thường gọi tắt là máy thu một tần số.
Nhóm 3: Máy thu xử lý mã C/A và pha sóng mang L1, L2 thường gọi tắt là máy thu hai tần.
Nhóm 4: Máy thu xử lý mã Y và pha sóng mang L1, L2 chỉ có quân đội Mỹ và đồng minh mới có.
Hình 2.5 Một số loại máy thu GPS
II.1.3 Các nguyên lý định vị bằng GPS
Kỹ thuật GPS cung cấp nhiều phương pháp định vị đa dạng để đáp ứng nhu cầu người sử dụng Các phương pháp này có thể được phân loại thành ba loại chính: định vị GPS tuyệt đối, định vị GPS tương đối và định vị GPS vi phân.
II.1.3.1 Định vị GPS tuyệt đối
1 Định vị tuyệt đối bằng khoảng cách giả Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ các điểm trong hệ tọa độ WGS - 84 (là hệ tọa độ cơ sở của hệ thống GPS) Tọa độ đó có thể là hệ tọa độ vuông góc không gian (X, Y, Z) hoặc tọa độ mặt cầu (B, L, H) Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh để tính ra tọa độ cần xác định theo công thức:
XS, YS, ZS là tọa độ địa tâm của vệ tinh trong hệ WGS – 84.
XP, YP, ZP là tọa độ địa tâm của điểm đặt máy trong hệ WGS – 84.
R là khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. c là vận tốc truyền tín hiệu.
Sai số không đồng bộ giữa đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh được ký hiệu là ∆t Để xác định ba thành phần tọa độ tuyệt đối của điểm đặt máy và đại lượng ∆t, cần đo khoảng cách giả đồng thời từ ít nhất bốn vệ tinh Hiện nay, với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ, số lượng vệ tinh quan sát đồng thời thường đạt từ bốn trở lên Khi đó, lời giải đơn trị được xác định thông qua phương pháp xử lý số liệu theo nguyên tắc số bình phương nhỏ nhất.
2 Định vị tuyệt đối bằng pha sóng tải
Khoảng cách giả có thể nhận được từ các trị đo pha sóng tải Mô hình toán học của các trị đo này như sau: Φ i j (t) λ
Trong đó: Φ i j (t) là pha sóng tải được đo. λ là bước sóng. ρ i j (t) là khoảng cách hình học từ điểm quan sát đến vệ tinh.
N i j là số nguyên đa trị. f j là tần số của tín hiệu vệ tinh.
∆ δ i j (t) là tổng hợp sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu.
3 Định vị tuyệt đối bằng tần số DOPPLER
Mô hình toán học của số liệu Doppler được thể hiện ở công thức sau:
D i j (t) = ρ i j (t) + c.∆δ i j (t) (2.3) Trong đó các giá trị xem xét là đạo hàm theo thời gian của khoảng cách giả code hoặc pha.
D i j (t) là hiệu ứng Doppler quan sát được, còn gọi là tốc độ khoảng cách ρ i j (t) là tốc độ tức thời bán kính vectơ giữa vệ tinh và máy thu.
∆ δ i j (t) là đạo hàm theo thời gian của độ sai đồng hồ phối hợp.
Ứng dụng công nghệ GPS trong đo nối khống chế ảnh
II.2.1 Ưu điểm khi dùng công nghệ GPS để đo nối khống chế ảnh
Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã mang lại cho các chuyên gia trắc địa một công cụ đo đạc hiện đại với độ chính xác cao về vị trí tương đối giữa các điểm mà không phụ thuộc vào khoảng cách hay yêu cầu thông hướng Việc phân cấp và xây dựng các mạng lưới trắc địa trở nên dễ dàng hơn, không còn bị ràng buộc bởi nguyên tắc truyền thống Hệ thống này hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và thời gian đo tại mỗi điểm thường chỉ kéo dài từ 2 đến 3 giờ Công nghệ GPS đã tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực trắc địa, mở ra nhiều khả năng và ưu thế tiềm ẩn đang được khai thác.
Những ưu điểm trên cho phép lựa chọn các điểm khống chế ngoại nghiệp ở vị trí tối ưu cho các khối tăng dày, phù hợp với từng phương pháp và yêu cầu về độ chính xác trong việc bố trí điểm khống chế.
II.2.2 Quy định kỹ thuật đo và xử lý tính toán bình sai kết quả đo GPS
1.1 Việc đo GPS trong Trắc địa cần được tiến hành theo một phương án kỹ thuật đã được phê duyệt nhằm xác định chính xác các giá trị tọa độ điểm GPS phục vụ cho công việc thành lập lưới trắc địa trong thời gian ngắn nhất và đạt hiệu quả kinh tế cao
1.2 Đo GPS trong trắc địa được tiến hành theo quy trình như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình đo nối khống chế ảnh bằng công nghệ GPS.
1.3 Các cấp đo và phương pháp GPS nêu trong phương án kỹ thuật được chọn tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác xác định đại lượng cần bố trí, đại lượng dịch chuyển và đặc điểm của từng đối tượng công trình.
2 Hệ thống tọa độ và thời gian
2.1.1 Đo GPS sử dụng hệ thống tọa độ toàn cầu WGS - 84 (Hệ tọa độ trắc địa quốc tế) khi có yêu cầu sử dụng hệ tọa độ HN 72 hoặc hệ tọa độ nào khác thì phải tính chuyển tọa độ Các tham số hình học cơ bản của Elipxoid toàn cầu và Elipxoid tham khảo của các hệ tọa độ phải phù hợp với quy định ở bảng 1 Hệ
Thiết kế đồ hình đo GPS và xác định thời gian đo Đo GPS ngoại nghiệp
Xử lý số liệu GPS và thực hiện bình sai là bước quan trọng trong việc đánh giá độ chính xác của dữ liệu Kết quả được báo cáo dựa trên điểm gốc tọa độ và độ cao theo hệ tọa độ VN-2000, có các tham số hình học cơ bản tương đồng với hệ tọa độ trắc địa quốc tế WGS-84.
2.1.2 Khi đo GPS các yêu cầu sử dụng hệ tọa độ địa phương hoặc hệ tọa độ độc lập thì phải tính chuyển đổi tọa độ và cần phải có các tham số kỹ thuật sau:
- Tham số hình học của Elipxoid tham khảo.
- Độ kinh của kinh tuyến trục giữa múi chiếu.
- Hằng số cộng vào tung độ, hoành độ.
- Độ cao thường của mặt chiếu.
- Tọa độ điểm khởi tính và phương vị khởi tính.
2.1.3 Khi tính chuyển từ hệ tọa độ trắc địa Quốc tế của lưới GPS sang hệ tọa độ khu vực, cần phải đảm bảo yêu cầu Bình sai lưới GPS trong hệ tọa độ vuông góc phẳng theo phép chiếu Gauus ( Ko = 1), kinh tuyến trục Lo cách khu đo không quá 20 km Nếu sử dụng phép chiếu UTM 6 o ( Ko= 0.9996) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 160 km đến 200 km Nếu sử dụng phép chiếu UTM 3 o ( Ko = 0.9999) thì kinh tuyến trục cách khu đo trong giới hạn 70 km đến 110 km Khi chọn phép chiếu Gauus phải sử dụng Elipxoid Krasovxky, còn nếu dùng phép chiếu UTM thì sử dụng Elipxoid WGS – 84.
Bảng 1 Tham số hình học cơ bản
Elipxoid toàn cầu Elipxoid tham khảo
Hệ tọa độ tham số
Bán trục nhỏ b (m) 6356752.3142 6356863.019 Độ dẹt ỏ 1/298.257223563 1/298.3
Bình phương độ lệch tâm thứ nhất e 2 0.00669437999013 0.0066934216
Bình phương độ lệch tâm thứ nhất e’ 2 0.006739496742227 0.0067385254
2.1.4 Khi tính chuyển đổi độ cao GPS thành độ cao thường thì cần sử dụng hệ độ cao nhà nước với điểm gốc độ cao quốc gia.
Thời gian trong đo GPS được tính theo thời gian quốc tế UTC Để chuyển đổi sang giờ Việt Nam, bạn cần cộng thêm 7 giờ (giờ Hà Nội = giờ GPS + 7).
3 Thiết kế kỹ thuật lưới GPS:
3.1.1 Dựa vào chiều dài trung bình giữa 2 điểm lân cận và độ chính xác của nó, lưới GPS được chia thành các hạng II, III, IV và các cấp 1 Khi thành lập lưới có thể thực hiện theo phương án tuần tự bao gồm tất cả các cấp, hạng hoặc lưới vượt cấp, lưới cung một cấp, hạng
3.1.2 Độ chính xác chiều dài giữa hai điểm lân cận của các cấp lưới GPS được tính theo công thức σ= a 2 + ( b 10 − 6 D ) 2 Độ chính xác phương vị của cạnh được tính theo công thức
Trong đó: a - sai số cố định (mm) b - hệ số sai số tỷ lệ
D - chiều dài cạnh đo (km) Với máy thu 4600 LS : a= 5 mm; b=1; p”=1; q”=5
3.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của các cấp lưới GPS phải phù hợp với quy định nêu ở bảng 2 Chiều dài cạnh ngắn nhất giữa 2 điểm lân cận bằng 1/2 đến 1/3 chiều dài cạnh trung bình, chiều dài cạnh lớn nhất bằng 2 ÷ 3 lần chiều dài cạnh trung bình Khi chiều dài cạnh nhỏ hơn 200 m, sai số trung phương chiều dài cạnh phải nhỏ hơn 20 mm
Bảng 2 Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu của lưới GPS được thành lập để phục vụ đo vẽ bản đồ Cấp hạng
Chiều dài cạnh trung bình (km) a (mm) b (1 × 10 -6 ) Sai số trung phương tương đối cạnh yếu nhất
3.1.4 Đối với lưới GPS thiết lập để khống chế thi công và quan trắc chuyển dịch biến dạng công trình thì phải dựa vào yêu cầu độ chính xác của từng công trình mà thiết kế lưới sao cho thỏa mãn yêu cầu đó.
3.2 Nguyên tắc thành lập và thiết kế lưới
3.2.1 Trước khi thiết kế mạng lưới GPS cần phải thu thập tài liệu sau
- Bản đồ địa hình tỷ lệ lớn nhất đã có trong khu vực xây dựng công trình
- Tài liệu về lưới khống chế mặt bằng và độ cao đã có trong khu đo, kèm theo báo cáo tổng kết kỹ thuật thành lập lưới.
- Các tài liệu về địa chất công trình, địa chất thủy văn, giao thông, thủy hệ và các tài liệu liên quan đến qui hoạch phát triển khu đo.
3.2.2 Việc thiết kế lưới GPS phải căn cứ vào yêu cầu thực tế và trên cơ sở điều tra nghiên cứu kỹ các tài liệu gốc, số liệu gốc hiện có tại khu vực cần đo Trong lưới GPS giữa các điểm không cần nhìn thấy nhau, nhưng để có thể tăng dày lưới bằng phương pháp đo truyền thống, mỗi điểm GPS cần phải nhìn thông đến ít nhất một điểm khác.
3.2.3 Khi thiết kế lưới, để tận dụng các tư liệu trắc địa, bản đồ đã có, nên sử dụng hệ tọa độ đã có của khu đo Các điểm khống chế đã có nếu phù hợp với yêu cầu của điểm lưới GPS thì tận dụng các mốc của chúng.
