- Trang Chủ
- Địa Lý
- Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 1: Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia
Xem mẫu
- 9/8/2013
BÀI GiẢNG Chương 1
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU HỆ QUY CHIẾU VÀ HỆ TỌA ĐỘ QUỐC GIA
1.1 HỆ QUY CHIẾU VÀ HỆ TỌA ĐỘ
Chương 1: Hệ quy chiếu và hệ tọa độ quốc gia, bài
toán cơ bản của trắc địa vệ tinh Xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia là một việc
quan trọng đối với mỗi quốc gia.
Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của GPS
+ Là cơ sở toán học mang tính chuẩn để
Vai trò thể hiện chính xác các thể loại bản đồ
Chương 3: Nguyên lý định vị bằng GPS nhằm mô tả trung thực các thông tin
của hệ điều tra cơ bản của đất nước.
Chương 4: Tổ chức thực hiện đo GPS quy
chiếu + Đóng vai trò hạt nhân trong hệ thống
quản lý hành chính lãnh thổ, phục vụ
và hệ
Chương 5: Các ứng dụng GPS trong trắc địa giải quyết tốt các vấn đề phân định và
toạ độ quản lý biên giới quốc gia, địa giới
quốc gia hành chính các cấp cũng như ranh giới
của từng thửa đất.
+ Hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia phải đáp Xác định hệ quy chiếu
ứng cho hoạt động của các ngành nhằm phát
Vai trò triển kinh tế như nghiên cứu vật lý trái đất, quan Xác định hệ quy chiếu tức là xác định gốc toạ độ và hệ
trắc hoạt động vỏ trái đất, đảm bảo hàng hải, trục cơ sở toạ độ để dựa vào đó có thể biểu diễn được
của hệ dẫn đường hàng không, bố trí xây dựng các tất cả các điểm trong không gian.
quy công trình, quan trắc độ biến dạng công trình,
chiếu quản lý các mạng lưới hoạt động kinh tế theo
lãnh thổ. - Có độ lệch nhỏ nhất theo một nghĩa
và hệ Một hệ quy toán học nào đó giữa mô hình toán học
toạ độ chiếu được và không gian vật lý của thế giới thực.
+ Hệ thống này còn có vai trò quan trọng trong
quốc gia các hoạt động đảm bảo an ninh - quốc phòng.
gọi là phù
hợp với . - Thuận tiện sử dụng trong thực tiễn
phạm vi lãnh có lưu ý tới các tập quán hình thành
thổ đang xét từ lịch sử và tính phổ cập trên thế giới.
Vì vậy, việc xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ
nếu đạt
quốc gia cần có tiếng nói chung của các ngành vì đây được 3 tiêu - Dễ dàng tính toán chuyển đổi với các
là một hệ thống đa mục tiêu. chuẩn sau: hệ quy chiếu đang sử dụng mà đặc
biệt là hệ quy chiếu toàn cầu hiện hành
Các hệ quy chiếu và hệ toạ độ ở nước ta
1. Xác định một Ellipxoid quy chiếu có kích
thước phù hợp (bán trục lớn a và bán trục nhỏ . mới đặt chân đến Việt nam Pháp đã tiến hành ngay việc
Khi
b, hoặc bán trục lớn a và độ dẹt f=(a-b)/a) xây dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia với ellipsoid Clarke,
được định vị phù hợp trong không gian thông điểm gốc tại Hà nội, lưới chiếu toạ độ phẳng Bonne và lưới các
qua việc xác định toạ độ tâm của Ellipxoid điểm toạ độ cơ sở phủ trùm cả Đông Dương
Bài toán (X0, Y0, Z0) trong hệ toàn cầu.
xác định
hệ quy Mỹ đặt chân tới Miền Nam nước ta cũng đã xây dựng ngay hệ
2. Xác định phép biến đổi phù hợp từ hệ quy quy chiếu và hệ toạ độ quốc gia với ellipsoid Everest, điểm gốc
chiếu và chiếu mặt Ellipxoid về hệ quy chiếu mặt tại Ấn độ, lưới chiếu toạ độ phẳng UTM và lưới các điểm toạ độ
hệ toạ độ phẳng để thành lập hệ thống bản đồ cơ bản cơ sở phủ trùm toàn Miền Nam
được quốc gia bao gồm cả hệ thống phân chia
đưa về mảnh và danh pháp từng tờ bản đồ theo từng Năm 1954 Chính phủ ta đã quyết định thành lập Cục Đo đạc và
dạng cơ tỷ lệ. Bản đồ Nhà nước có nhiệm vụ chính trong giai đoạn đầu là xây
bản là: dựng hệ quy chiếu và hệ toạ độ với ellipsoid Krasovski, điểm gốc
theo hệ thống Xã hội chủ nghĩa, lưới chiếu toạ độ phẳng Gauss
3. Xử lý toán học chặt chẽ lưới các điểm toạ
và lưới các điểm toạ độ cơ sở có độ chính xác cao phủ trùm toàn
độ bao gồm tất cả các loại trị đo có liên quan
Miền Bắc. Chúng ta gọi hệ Quy chiếu này là hệ Hà nội - 72.
sao cho đảm bảo độ chính xác cao nhất.
1
- 9/8/2013
1.2 HỆ TỌA ĐỘ VN-2000
1.2.1 Bài toán xác định hệ quy chiếu và hệ toạ
1.2.1 Bài toán xác định hệ quy chiếu và hệ toạ độ độ quốc gia
quốc gia
- Đảm bảo tính phù hợp có thể
Để xác định - Đảm bảo tính phù hợp nhất Để xác định chuyển đổi được với hệ quy
một hệ quy với lãnh thổ nước ta; một hệ quy chiếu quốc tế và khu vực;
chiếu hợp lý chiếu hợp lý
cho Việt cho Việt
- Đảm bảo độ chính xác cao - Đảm bảo tính bảo mật của số
Nam chúng
Nam chúng
nhất trong khả năng có thể; liệu toạ độ Nhà nước;
ta cần thống ta cần thống
nhất một số nhất một số
nguyên tắc nguyên tắc - Đảm bảo tính thuận tiện cho
để lựa chọn - Đáp ứng cho nhiều mục tiêu để lựa chọn chỉnh lý các loại tư liệu đo đạc
như sau: dân sự và quân sự khác nhau như sau: bản đồ hiện có theo hệ quy chiếu
(bản đồ, dẫn đường, nghiên mới được lựa chọn.
cứu trái đất, v.v.);
1.2.2 Định vị ellipsoid quy chiếu phù hợp tại Việt Sử dụng 25 điểm cơ sở định vị (tại đó có
nam toạ độ không gian X, Y, Z xác định theo
Định vị ellipsoid quy chiếu là việc xác định GPS và có độ cao thuỷ chuẩn) phân bố
vị trí một ellipsoid phù hợp nhất theo một đều trên lãnh thổ chúng ta có thể đảm
nghĩa nào đó với bề mặt Geoid tại địa Thực tế
bảo được độ chính xác cần thiết để xác
phương để quy chiếu các trị đo và toạ độ. công tác định ellipsoid quy chiếu.
Ellipsoid định vị
quy chiếu Ellipsoid
Phân tích kết quả định vị Ellipsoid Quy
phù hợp tại
Tính phù hợp thường được hiểu theo quy chiếu chiếu WGS 84 có thể khẳng định
nghĩa là độ lệch giữa ellipsoid quy chiếu
Việt nam và Geoid trên địa phương đó là nhỏ WGS-84 ellipsoid này có kích thước khá phù hợp
nhất, thường có dạng: tại Việt với lãnh thổ Việt nam, độ cao cực đại
Nam như của Geoid là 3,310 m, trung bình là
K sau: 1,614 m.
i 1
i
2
min
Hệ Quy chiếu được định vị này mang tên
là Hệ Quy chiếu VN-2000.
1.2.3 Lựa chọn lưới chiếu toạ độ phẳng phù hợp cho
Việt nam
Hệ quy chiếu cho Việt nam cần
Lưới chiếu toạ độ phẳng là một phép biến đổi toán học để Việc lựa phải là một hệ phù hợp nhất với
chuyển các yếu tố hình học trên mặt Ellipssoid về mặt phẳng; chọn hệ lãnh thổ và đảm bảo công cụ để
quy chuyển chính xác sang hệ quốc tế
Lưới chiếu toạ độ phẳng cơ bản của một nước là một thành chiếu khi có nhu cầu
phần của hệ quy chiếu Quốc gia được sử dụng vào mục đích hợp lý
chuyển hệ thống toạ độ về mặt phẳng; cho Việt
nam đã
Phù hợp với tập quán sử dụng ở
Nước ta là đất nước có dạng chạy dài theo kinh tuyến nên thống
Việt Nam và tương đồng với các
việc lựa chọn lưới chiếu trụ ngang đồng góc làm lưới chiếu nhất về
chuẩn mực quốc tế, phải đảm bảo
toạ độ phẳng cơ bản là phù hợp; mặt
tính bảo mật quốc gia và có khả
nguyên
năng hoà nhập với quốc tế khi cần
tắc là:
Trong số các lưới chiếu này chỉ có 2 loại được sử thiết
dụng phổ biến là lưới chiếu UTM và Gauss-Kruger
2
- 9/8/2013
1.2.4 Hệ tọa độ Quốc gia Việt Nam VN-2000
Ellipsoid quy chiếu - WGS-84;
Hệ tọa độ VN-2000 được Thủ tướng Chính phủ quyết
Giá trị toạ độ điểm gốc - xác định theo kết định là hệ là hệ tọa độ Trắc địa-Bản đồ Quốc gia Việt Nam
quả định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam; và có hiệu lực từ ngày 12/8/2000
Kết
luận Hệ thống toạ độ phẳng - Lưới chiếu trụ Sử dụng Elipxoid WGS-84 (World Geodesic
lựa ngang đồng góc UTM với múi chiếu 6o và System 1984) làm Elip thực dụng, Elip này
chọn Hệ
ko=0,9996 cho bản đồ các tỷ lệ từ 1/10.000 có bán trục lớn a = 6378137, độ det α =
tọa
cụ thể tới 1/500.000, 1:298,2
độ
là: này
Lưới chiếu trụ ngang đồng góc UTM với múi có Sử dụng phép chiếu và hệ tọa độ vuông góc
chiếu 3o và ko=0,9999 cho bản đồ các tỷ lệ các phẳng UTM
từ 1/2.000 tới 1/5.000, chia mảnh và danh đặc
pháp bản đồ như hệ thống hiện hành có chú điểm Gốc tọa độ trong khuôn viên Viện Công
thích thêm danh pháp theo hệ quốc tế nghệ Địa chính, Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ NHIỆM VỤ CỦA TRẮC ĐỊA VỆ TINH
Dùng tâm trái đất làm tâm chiếu, lần lượt 1.4 CÁC BÀI TOÁN VÀ CÁC NGUYÊN TẮC ĐỊNH VỊ VỆ TINH
chiếu từng múi lên mặt trụ theo nguyên lý của
phép chiếu xuyên tâm. Sau khi chiếu, khai
Hệ Trắc địa vệ tinh là môn khoa học nghiên cứu việc ứng dụng
triển mặt trụ thành mặt phẳng
tọa các kết
. quả quan sát vệ tinh nhân tạo hoặc vệ tinh tự nhiên
độ của Trái đất để giải quyết các nhiệm vụ khác của trắc địa
này
có Phép chiếu UTM có ưu điểm là độ biến
các dạng được phân bố đều và có trị số nhỏ; mặt Để giải quyết các nhiệm vụ xác định vị trí điểm trên
đặc khác hiện nay để thuận tiện cho việc sử dụng bề mặt trái đất dựa vào quan sát vệ tinh, người ta đưa ra
điểm hệ tọa độ chung trong khu vực và thế giới Việt hai nguyên tắc đó là nguyên tắc hình học và nguyên
Nam đã sử dụng lưới chiếu này trong hệ tọa tắc động học
độ Quốc gia VN-2000 thay cho phép chiếu
Gauss-Kruger trong hệ tọa độ cũ HN-72.
Thời điểm ban đầu người ta đưa lên quỹ đạo Thời gian sau này, nhờ sự phát triển của kỹ
một số vệ tinh nhân tạo đóng vai trò như những thuật điện tử, các vệ tinh được trang bị nguồn
mục tiêu di động phát sáng hoặc được chiếu sáng, phát tín hiệu vô tuyến, gương phản chiếu
nhờ đó các trạm quan sát trên mặt đất có thể ghi laser, đồng hồ chính xác…
nhận được vị trí bằng chụp ảnh vệ tinh trên nền sao
Trong quá trình chuyển động trên quỹ đạo
Nguyên người ta có thể xác định được vị trí chính xác
Nguyên Bằng cách này người ta có thể xác định được vị trí tắc
tắc hình điểm quan sát trên mặt đất mà không cần biết vị trí của các vệ tinh (trong hệ tọa độ) từ đó có thể
học động xác định được vị trí của các trạm thu tín hiệu
chính xác của vệ tinh.
học từ các vệ tinh
Các vệ tinh này được gọi là các vệ tinh thụ động và Các vệ tinh này được gọi là các vệ tinh chủ
bài toán xác định trong trường hợp này được giải động và bài toán định vị trong trường hợp này
quyết theo nguyên tắc hình học nên gọi là bài toán được giải quyết theo nguyên tắc động học gọi
hình học. là bài toán động học.
3
- 9/8/2013
Các vệ tinh của hệ thống TRANSIT, GPS, GLONASS, GALILEO thuộc
nhóm vệ tinh chủ động.
Trong định vị bằng VTNT có 2 phương pháp định
Các vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo chịu tác động của trọng vị là:
trường trái đất, lực tác dụng của các thiên thể khác như mặt trăng,
mặt trời…việc xác định tọa độ tuyệt đối của các vệ tinh trên quỹ đạo
theo thời gian trong hệ tọa độ trái đất là khá phức tạp.
S
+ Phương pháp định vị tuyệt đối
Để duy trì hoạt động của hệ thống định vị vệ tinh theo nguyên tắc ρ
động học, mạng lưới các trạm quan trắc của đoạn điều khiển phải liên là xác định vị trí tuyệt đối của
tục quan trắc đến các vệ tinh là cơ sở để xác định các tham số trường điểm quan sát trong hệ tọa độ. r
trọng lực trái đất M
R
Từ đó có thể cung cấp cho người sử dụng các tham số quỹ đạo
R=r–ρ O
chuyển động của các VTNT trong môi trường có nhiễu để thực hiện
công tác định vị điểm trên mặt đất hoặc trong không gian
Bản chất của định vị vệ tinh theo nguyên tắc động học, tọa độ vệ tinh
xác định trên quỹ đạo (tại một thời điểm nào đó) là các số liệu gốc từ
đó chúng ta xác định được vị trí các điểm quan sát trên bề mặt trái
đất thông qua các trị đo đến vệ tinh
1.5 PHƯƠNG PHÁP QUAN SÁT VỆ TINH NHÂN TẠO
Các phương pháp quan sát vệ tinh nhân tạo được chia
+ Phương pháp định vị tương đối
làm 2 nhóm: nhóm quang học và nhóm vô tuyến điện tử
là xác định hiệu tọa độ (vị trí tương S Nhóm quang học: bao gồm các phương pháp quan
đối) của hai hoặc nhiều điểm quan sát trực tiếp, chụp ảnh quan sát bằng quang điện tử và
sát trong cùng hệ tọa độ. ρ1
ρ2 laser.
r
Phương pháp quan sát trực tiếp cho độ chính xác
R1 = r – ρ1 R2 = r – ρ2
M1
thấp, không được sử dụng trong công tác trắc địa.
M2
suy ra ΔR = ρ2 - ρ1 O Trước đây phương pháp chụp ảnh được sử dụng khá
rộng rãi để quan sát các vệ tinh nhân tạo. Thực chất của
phương pháp này là chụp ảnh vệ tinh trên nền trời sao, từ
vị trí của các sao cơ bản sẽ tính ra vị trí của vệ tinh.
Nhóm vô tuyến điện tử: bao gồm các phương Dựa vào lịch sao và thời gian chụp ảnh ta sẽ có
pháp giao thoa, phương pháp đo khoảng cách… tọa độ các sao được chọn làm các sao cơ sở. Trên
1.5.1 Đo hướng đến VTNT bằng chụp ảnh trên nền
cơ sở tọa độ phim ảnh, từ quan hệ giữa tọa độ sao
trời sao
cơ sở và tọa độ vệ tinh người ta sẽ tính được tọa
Phương pháp này sử dụng các camera để chụp
ảnh như: Wild BC – 4, Baker – Nunn, BAY, SBG… độ thiên văn của các VTNT. Từ đó sẽ xác định được
Các camera có tiêu cự từ 250 – 964 mm, góc hướng từ điểm quan sát đến VTNT
mở ống kính lớn, và dùng phim có độ nhạy cao để Phương pháp này cho độ chính xác xác định
chụp ảnh vệ tinh.
hướng từ điểm quan sát đến VT đạt từ 0,4 – 0,5s
Trong mỗi một vệt bay của VTNT chụp được
nhiều ảnh mà trong tấm ảnh nào vị trí của vệ tinh
cũng nằm ở vùng trung tâm tấm ảnh. Ngoài ra
camera được gắn cửa chớp có cấu tạo đặc biệt có
thể ghi được thời gian chụp ảnh với đ.c.x 10-3 s
4
- 9/8/2013
1.6 CÁC HỆ TỌA ĐỘ
Để tăng trị đo khi trạm mặt đất phát đi sóng
Vị trí của các điểm trên mặt đất, trong không
điện từ vệ tinh thu được sẽ tạo 4 sóng điều
biến rồi phát trở lại trạm mặt đất nhờ thiết bị gian đều được biểu thị bằng giá trị tọa độ trong một
thu và phản hồi đặt trên vệ tinh, như vậy mỗi hệ tọa độ nào đó. Các hệ tọa độ khác nhau cho các
lần sẽ đo được 4 khoảng cách nhờ đó độ
chính xác định vị sẽ được tăng lên đáng kể; tham số tọa độ khác nhau như gốc tọa độ, các trục
.2Đo tọa độ.
khoảng
Phương pháp này tín hiệu tại trạm phát đi 1.6.1 Hệ tọa độ vuông góc không gian (X,Y,Z)
cách điện
được điều biến theo pha. Tín hiệu nhận
tử đến được từ vệ tinh ở dạng xung truyền thẳng, - Gốc tọa độ 0 ở trọng tâm trái đất;
VTNT thực chất là chuyển tiếp tín hiệu pha đã điều
- Trục Z trùng với trục quay của quả đất;
biến với tần số không thay đổi. Trạm mặt đất
sẽ thu được tín hiệu, khi đó sự dịch chuyển - Trục X hướng từ tâm trái đất đến điểm giao giữa
pha sẽ được đo bằng máy đo pha, nhờ đó sẽ
tính được khoảng cách;
mặt phẳng xích đạo và kinh tuyến gốc;
- Trục Y vuông góc với trục X và Z.
1.6.2 Hệ tọa độ địa lý (φ, λ, H) Như vậy mỗi hệ tọa độ thực dụng sẽ dựa trên
1.6.3 Hệ tọa độ trái đất thực dụng Elipxoid có tâm không trùng với trọng tâm trái đất và
thậm chí các trục tọa độ của Elipxoid này cũng
Hệ tọa độ trái đất trình bày ở trên có gốc tọa độ
không hoàn toàn song song với các trục tọa độ của
trùng với trọng tâm của trái đất điều này chỉ đúng khi Ellipxoid chung của trái đất;
đi đôi với Elipxoid chung của trái đất; Từ thực tế trên sẽ nảy sinh các bài toán chuyển
Trong thực tế tại mỗi quốc gia người ta sử dụng đổi tọa độ giữa hệ tọa độ trái đất chung và hệ tọa độ
trái đất địa phương hoặc giữa các hệ tọa độ trái đất
hệ quy chiếu riêng gọi là hệ tọa độ thực dụng;
địa phương với nhau;
Để thiết lập hệ tọa độ thực dụng người ta định vị Để có thể tính chuyển tọa độ giữa các hệ tọa độ
Elipxoid (có hình dạng và kích thước đã biết) phù này cần phải biết các tham số tính chuyển đó là 2
hợp với lãnh thổ của quốc gia đó. tham số hình dạng kích thước của Ellipxoid, 7 tham
số chuyển tọa độ không gian bao gồm 3 giá trị lệch
gốc tọa độ, 3 góc xoay của các trục tọa độ và hệ số
tỷ lệ dài m
1.7 LỊCH VỆ TINH Các số liệu lịch vệ tinh bao gồm:
Lịch vệ tinh (Ephemeris) là một tập hợp số liệu thể + Lịch vệ tinh dự báo (Almanac)
hiện vị trí của vệ tinh dưới dạng hàm của thời gian; + Lịch vệ tinh quảng bá (broadcast ephemeris)
Mỗi vệ tinh GPS theo chu kỳ phát đi (đến máy thu) + Lịch vệ tinh chính xác (precise ephemeris)
lịch vệ tinh quảng bá, cùng với thông tin đạo hàng, Các số liệu trên khác nhau về độ chính xác, cụ thể:
trong đó thể hiện vị trí dự báo vệ tinh ở thời gian gần,
Loại lịch Sai số định vị Ghi chú
được chuyển lên bởi đoạn điều khiển;
Các chương trình xử lý sau cũng có thể sử dụng Dự báo Vài km Phụ thuộc vào tuổi
của số liệu
lịch vệ tinh chính xác trong đó thể hiện vị trí chính xác
Quảng bá (có SA) 2 – 50 m Phụ thuộc vào mức
của vệ tinh trên quỹ đạo. độ nhiễu SA
Số liệu trong lịch vệ tinh cho phép xác định tức thời Quảng bá (không 2-5m
các vectơ vị trí và tốc độ của các vệ tinh trong hệ tọa độ có SA)
Chính xác Nhỏ hơn 0,5 m
trái đất
5
- 9/8/2013
1.7.1 Lịch dự báo Các số liệu của lịch vệ tinh quảng bá bao gồm:
Là tập hợp số liệu có độ chính xác thấp nhất về Tuổi của số liệu ephemeris, thời điểm lịch, các tham
vị trí vệ tinh, phục vụ cho việc lập lịch và xác định số chuyển động của vệ tinh, các số hiệu chỉnh.
quang cảnh “nhìn thấy” của vệ tinh tại điểm quan Trong khoảng gần nhất, các số liệu này đã được
sát. Số liệu lịch dự báo được truyền đi cùng thông sử dụng để tính ra quỹ đạo tức thời của các vệ tinh.
tin vệ tinh trong đó bao gồm: các tham số quỹ đạo 1.7.3 Lịch vệ tinh chính xác
vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ, và một số các thông
Lịch vệ tinh GPS chính xác được lập dựa trên
tin khác.
cơ sở các số liệu quan trắc trong mạng lưới giám
1.7.2 Lịch vệ tinh quảng bá sát.
Số liệu của lịch vệ tinh quảng bá được tạo lập Lịch vệ tinh chính xác có thể được sử dụng cho
trên 5 trạm giám sát thuộc đoạn điều khiển của hệ một số ngày (từ 4 đến 14 ngày) sau khi thu thập
thống GPS được các số liệu và tính toán vị trí của các vệ tinh
Số liệu lịch vệ tinh chính xác bao gồm các
thông tin chung như tần suất thời gian, dạng quỹ
đạo. Các số liệu này được mô tả với riêng từng
vệ tinh;
Hiện nay phía Mỹ cung cấp Ephemeris chính
xác theo dịch vụ và có thể nhận được qua
Internet theo địa chỉ quy định;
Ephemeris chính xác có hai loại, loại cung cấp
sau 48 h đạt độ chính xác định vị ±10 cm, còn loại
cung cấp sau hai tuần đạt độ chính xác ± 5cm
6
nguon tai.lieu . vn
