Công nghệ GPS và ứng dụng trong trắc đắc

thongtu-tracdac-vn
Một số quy định về thành lập bản đồ địa chính
September 22, 2016
ban-do-so-tracdac-vn
Công nghệ bản đồ số ở Việt Nam
September 23, 2016

Công nghệ GPS và ứng dụng trong trắc đắc

gps-trong-tracdac-vn

GPS là một thuật ngữ khá quen thuộc được sử dụng khá nhiều trong đời sống, nhưng khi được hỏi GPS là gì và GPS hoạt động như thế nào thì chắc hẳn không ít người phải lắc đầu. Trong bài viết này tracdac.vn sẽ giới thiệu tới các bạn công nghệ GPS là gì, nguyên lý hoạt động của GPS và ứng dụng của GPS trong đời sống.

GPS là gì?

GPS  hay hệ thống định vị toàn cầu là một dạng máy thu tín hiệu, chẳng hạn máy thu GPS trên máy bay, tàu thủy, xe hơi, hay hầu hết smartphone cũng tích hợp GPS để định vị, và cùng với các ứng dụng bản đồ chúng trở thành công cụ dẫn đường hữu hiệu. Trên thực tế GPS là một hệ thống định vị vận hành dựa vào 27 vệ tinh (trong đó có 3 vệ tinh dự phòng) chuyển động trên các quỹ đạo quanh trái đất, do Mỹ phát triển ban đầu cho mục đích quân sự, nay đã mở rộng ra cho cả dân sự. Các vệ tinh được bố trí sao cho tại bất kỳ thời điểm nào và ở nơi nào trên mặt đất, cũng có thể thấy ít nhất 4 vệ tinh.

Các vệ tinh phát ra các tín hiệu gồm vị trí của chúng và thời điểm phát tín hiệu. Nhiệm vụ của máy thu GPS là xác định vị trí của 4 vệ tinh, tính toán khoảng cách tới các vệ tinh để từ đó tự xác định vị trí của chính nó theo công thức: Quãng đường = Vận tốc x Thời gian.

Nguyên lý xác định vị trí bằng GPS

Một ví dụ nhỏ để bạn hiểu nguyên lý hoạt động của GPS nhé:

Giả thiết bạn đang ở một nơi xa lạ và trên tay không có bất cứ loại bản đồ nào, bạn muốn biết mình đang ở đâu. Bạn hỏi thăm một người dân địa phương và được biết đang cách Vũng Tàu 60 km. Thông tin nhận được mới chỉ cho bạn biết đang ở đâu đó trên vòng tròn tâm Vũng Tàu, bán kính 50 km.

Bạn tiếp tục  đi hỏi và một người khác nói bạn cách Biên Hòa 40 km. Giờ thì đã rõ hơn, bạn biết mình đang ở một trong hai vị trí là giao nhau của 2 vòng tròn.
Vì chưa rõ được địa điểm bạn tiếp tục đi hỏi người thứ ba và bạn được  cho biết, bạn đang cách TP.HCM 20 km. Và bạn đã có thể xác định vị trí hiện tại của mình là Nhơn Trạch – nơi giao của 3 vòng tròn.

Nguyên lý trên cũng được áp dụng tương tự để xác định vị trí trong hệ thống GPS, lấy điểm giao nhau của 3 mặt cầu trong không gian 3 chiều, thay vì là 3 đường tròn.

cong-nghe-gps

Máy thu GPS qua tính toán xác định được khoảng cách tới một vệ tinh và biết được nó đang ở đâu đó trên mặt cầu tâm vệ tinh này. Hai mặt cầu đầu giao nhau tạo thành một vòng tròn. Mặt cầu thứ 3 sẽ cắt vòng tròn này chỉ tại 2 điểm, trong đó 1 điểm là vị trí của máy thu trên mặt đất. Điểm giao cắt thứ hai là một nơi nào đó lơ lửng trong không gian, cách xa trái đất hàng ngàn km nên có thể bỏ qua.

Một vệ tinh thứ tư cần thiết để cải thiện tính chính xác của việc xác định thời gian, vì chỉ cần sai số 1 phần triệu giây giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu cũng có thể dẫn đến định vị sai lệch hàng trăm mét.

Như vậy để xác định vị trí của mình trên mặt đất, máy thu GPS phải tính để biết khoảng cách tới 4 vệ tinh và vị trí chính xác của các vệ tinh trên quỹ đạo.

GPS tính toán ra sao
Máy thu GPS tính toán dựa vào khoảng thời gian tính từ khi vệ tinh phát tín hiệu đến lúc nó nhận được. Đó là tín hiệu radio tần số cao, công suất cực thấp. Sóng radio chuyển động với tốc độ đều, tương đương tốc độ của ánh sáng, khoảng 300.000 km/giây trong chân không.
Để đo chính xác, chúng ta phải chắc chắn là đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu phải đồng bộ với nhau, chỉ cần chênh nhau 1 phần triệu giây là đã dẫn đến sai số khoảng 300 m. Với độ chính xác như vậy, chỉ có thể là đồng hồ nguyên tử. Nhưng đồng hồ nguyên tử có giá quá cao, tới hàng chục ngàn đô la Mỹ, nên chỉ có thể trang bị cho các vệ tinh. Với máy thu, người ta buộc phải chọn phương án giá rẻ, dùng đồng hồ quartz thông thường. Các đồng hồ quartz này được hiệu chỉnh liên tục dựa vào tín hiệu nhận được từ các vệ tinh để đồng bộ thời gian chính xác theo đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh. Nhờ đó mà bốn mặt cầu giao nhau tại một điểm.

 

gps-trong-tracdac-vn

Tính khoảng cách tới vệ tinh. Vào một thời điểm nào đó trong ngày, một vệ tinh bắt đầu truyền một chuỗi dài tín hiệu số, được gọi là mã giả ngẫu nhiên. Cùng lúc, máy thu cũng bắt đầu tạo ra chuỗi mã giống hệt, sau đó một chút mới nhận được chuỗi tín hiệu của vệ tinh. Độ trễ này là khoảng thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu. Nhân thời gian trễ này với vận tốc ánh sáng, máy thu tính ra quãng đường truyền tín hiệu. Đây là khoảng cách giữa máy thu và vệ tinh, với giả thiết tín hiện truyền theo đường thẳng với vận tốc truyền không đổi.

Xác định vị trí vệ tinh. Điều này không quá khó, vì mỗi máy thu đều cập nhật và lưu trữ định kỳ một bảng tra cứu (gọi là almanac data) vị trí gần đúng của từng vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo vào bất kỳ thời điểm nào. Một số yếu tố như lực hút của mặt trăng, mặt trời làm lệch quỹ đạo của các vệ tinh đôi chút nhưng bộ quốc phòng Mỹ liên tục giám sát vị trí chính xác của các vệ tinh và truyền những hiệu chỉnh đến các máy thu GPS thông qua tín hiệu từ vệ tinh.

Vậy là chúng ta đã biết cách mà một máy thu GPS tính toán vị trí của nó trên mặt đất dựa trên thông tin nhận được từ 4 vệ tinh địa tĩnh. Qua quá trình thu nhận tín hiệu và xử lý thông tin, máy thu cho chúng ta biết vĩ độ, kinh độ và cao độ của vị trí hiện thời. Trên smartphone, những thông tin này được thể hiện thành điểm trên bản đồ.

Mặc dù đã được cải tiến rất nhiều nhưng chắc chắn rằng hệ thống GPS không thể chính xác tới 100% vì những lý do khác liên quan tới tầng khí quyển, mây gió và các điều kiện môi trường có thể sẽ làm chệch hoặc thay đổi tốc độ của tín hiệu, khiến việc đo đạc trở nên sai lệch so với thực tê.

Ứng dụng của GPS trong trắc đắc

Tương tự như các mạng lưới trắc địa khác, để xây dựng lưới GPS phải qua bước thiết kế lưới. Nhìn chung công tác thiết kế lười GPS không quá phức tạp như các loại lưới trước đây vì lưới GPS đã được lược bỏ đi 1 số yêu cầu từng là bắt buộc với lưới truyền thống như đồ hình lưới, thông hướng giữa các điểm

Yêu cầu chọn điểm trong thành lập lưới khống chế Trắc Địa bằng công nghệ GPS

Tại mỗi điểm GPS cần  khảo sát các yêu cầu sau

  1. Các vật cản xung quanh điểm đo có góc cao không quá (hoặc có thể là ) để tránh cản tín hiệu GPS.
  1. Không quá gần các bề mặt phản xạ như cấu kiện kim loại, các hàng rào, mặt nước…. vì chúng có thể gây hiện tượng đa đường dẫn.
  1. Không quá gần các thiết bị điện (Như trạm phát sóng, đường dây cao áp…) có thể gây nhiễu tín hiệu.

Thiết kế ca đo

Sau thiết kế hình lưới là thiết kế ca đo

Thiết kế ca đo (Session) là khâu quan trọng để thi công lưới đạt được các yêu cầu kinh tế- kỹ thuật. Với số lượng điểm đã xác định (bao gồm các điểm cần xác định và các điểm khởi tính) và tùy thuộc vào số lượng máy thu GPS sử dụng, chúng ta có sẽ có phương án tạo các ca đo phù hợp. Có thể thiết kế ca đo trên sơ đồ (hay bản đồ) đã có vị trí sơ bộ của các mốc.

Để tính số ca đo ta sẽ áp dụng theo công thức sau:

n=(m.S)/r

Trong đó:

  • S là tổng số điểm trong lưới.
  • r là số máy thu sử dụng để đo.
  • m là số lần đặt máy lặp trung bình tại điểm.

Để thiết kê các ca đo cần có sơ đồ vị trí các mốc lưới, gồm cả mốc mới (cần xác định) và mốc khởi tính (mốc gốc). Căn cứ vào số lượng máy thu để thiết kế các ca đo theo trình tự, từ ngoài vào trong và phải bảo đảm theo yêu cầu kỹ thuật.

Sau khi đã thiết kế ca đo xong thì chúng ta sẽ tiến hành đo đạc lưới ngoài thực địa. Sau khi đo đạc lưới ngoài thực địa sau đó chúng ta sẽ tiến hành trút số liệu vào máy tính để sử dụng các phần mềm để tiến hành bình sai mạng lưới. Một trong những phần mềm đó là phần mềm Trimble Business Center(TBC). Sau khí xử lý số liệu GPS bằng phần mềm TBC chúng ta sẽ tiến hành biên tập báo cáo 7 bảng biểu theo mẫu của Bộ tài nguyên và môi trường quy định.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *