Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI MỞ ĐẦUTrái đất, như đã biết, là một vật thể vũ trụ thuộc hệ thống Mặt trời. Nó là một khối vật chất có hình thù và độ lớn nhất định, tự quay quanh trục mình (và quay quanh Mặt trời), và do vậy gây ra một trường lực hút tồn tại cả ở bên ngoài và bên trong bề mặt tự nhiên của nó. Con người với tư cách chủ thể, đại diện cao cấp nhất của sự sống và nền văn minh trên Trái đất cần phải và trên thực tế từ rất sớm đã đặt ra để tự giải đáp ngày càng cặn kẽ câu hỏi tất yếu về độ lớn, hình thù của hành tinh mình sống trên đó và bản chất, ảnh hưởng của lực hút chi phối mọi hiện tượng và quá trình tự nhiên xảy ra trong thế giới xung quanh.Bề mặt tự nhiên của Trái đất rất phức tạp về mặt hình học và không thể biểu thị nó bởi một qui luật xác định, hình dạng Trái đất được hình thành và bị chi phối bởi hai lực là lực hấp dẫn và lực ly tâm tạo nên hình dạng Elipsoid của Trái đất.Hình1: Hình dạng ellipsoid của trái đấtTrong trắc địa người ta dùng mặt Geoid, bề mặt này được tạo bởi mặt nước biển trung bình yên tĩnh kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín, có đặc điểm là ở bất kỳ điểm nào nằm trên pháp tuyến cũng trùng với phương dây dọi. Ngoài ra do tác dụng của trọng lực, sự phân bố không đồng đều của vật chất có tỷ trọng khác nhau trong lớp vỏ trái đất làm cho bề mặt Geoid bị biến đổi phức tạp về mặt hình học.Cho nên, bề mặt hoàn chỉnh của Trái đất không phải là bề mặt đúng toán học, mà chỉ là bề mặt sẵn có của chính Trái đất. Trong khoa học trắc địa bản đồ, để tiện lợi cho các bài toán đo đạc, người ta lấy mặt Elipsoid tròn xoay có hình dạng và kích thước gần giống mặt geoid thay cho bề mặt của Trái đất. Chính vì vậy nên nhóm em quyết định chọn đề tài “MỘT SỐ ELIPSOID CƠ BẢN TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRÁI ĐẤT” để có thể hiểu rõ hơn các Elipsoid và cách tính toán Elipsoid đó như thế nào.Qua quá trình học tập, tham khảo tài liệu, nhóm em đã hoàn thành đề tài. Do vốn kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn trong lớp để đề tài của nhóm được hoàn thiện hơn.
ĐỀ TÀI MỘT SỐ ELIPSOID CƠ BẢN TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRÁI ĐẤT ~ 1 ~ DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1 : Hình dạng ellipsoid của trái đất Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu Hình 1.2: Mô hình tín hiệu GPS khi truyền Hình 1.3: Xác định hiệu số giữa các thời điểm Hình 1.4: Cấu trúc thành phần cùng pha của tín hiệu L1 Hình 1.5: Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1 Hình 1.6: Một octet của một hình cầu trái đất lý tưởng Hình 1.7: Vĩ độ địa tâm và trắc địa Hình 1.8: Hình elip cơ bản với các đường phụ kiện Hình 1.9: Vĩ độ và độ cao Hình 1.10: Mối quan hệ thay đổi từ hình cầu trái đất elip LỜI MỞ ĐẦU Trái đất, như đã bi ế t, là một vật thể vũ trụ thuộc hệ thống M ặ t trời. Nó là m ộ t khối vật ch ấ t có hình thù và độ lớn nh ấ t định, tự quay quanh trục ~ 2 ~ mình (và quay quanh M ặ t trời), và do vậy gây ra một trường lực hút tồn tại cả ở bên ngoài và bên trong bề mặt tự nhiên của nó. Con người với tư cách chủ thể, đại di ệ n cao cấp nh ấ t của sự sống và nền văn minh trên Trái đất cần ph ả i và trên thực t ế từ rất sớm đã đ ặ t ra để tự giải đáp ngày càng cặn kẽ câu hỏi tất yếu về độ lớn, hình thù của hành tinh mình sống trên đó và bản ch ấ t, ảnh hưởng của lực hút chi phối mọi hi ệ n tượng và quá trình tự nhiên xảy ra trong thế giới xung quanh. Bề mặt tự nhiên của Trái đất rất phức tạp về mặt hình học và không thể biểu thị nó bởi một qui luật xác định, hình dạng Trái đất được hình thành và bị chi phối bởi hai lực là lực hấp dẫn và lực ly tâm tạo nên hình dạng Elipsoid của Trái đất. Hình1: Hình dạng ellipsoid của trái đất Trong trắc địa người ta dùng mặt Geoid, bề mặt này được tạo bởi mặt nước biển trung bình yên tĩnh kéo dài qua các lục địa và hải đảo tạo thành một mặt cong khép kín, có đặc điểm là ở bất kỳ điểm nào nằm trên pháp tuyến cũng trùng với phương dây dọi. Ngoài ra do tác dụng của trọng lực, sự phân bố không đồng đều của vật chất có tỷ trọng khác nhau trong lớp vỏ trái đất làm cho bề mặt Geoid bị biến đổi phức tạp về mặt hình học. ~ 3 ~ Cho nên, bề mặt hoàn chỉnh của Trái đất không phải là bề mặt đúng toán học, mà chỉ là bề mặt sẵn có của chính Trái đất. Trong khoa học trắc địa bản đồ, để tiện lợi cho các bài toán đo đạc, người ta lấy mặt Elipsoid tròn xoay có hình dạng và kích thước gần giống mặt geoid thay cho bề mặt của Trái đất. Chính vì vậy nên nhóm em quyết định chọn đề tài “MỘT SỐ ELIPSOID CƠ BẢN TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRÁI ĐẤT” để có thể hiểu rõ hơn các Elipsoid và cách tính toán Elipsoid đó như thế nào. Qua quá trình học tập, tham khảo tài liệu, nhóm em đã hoàn thành đề tài. Do vốn kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy và các bạn trong lớp để đề tài của nhóm được hoàn thiện hơn. ~ 4 ~ NỘI DUNG I. TỔNG QUAN VỀ GPS (GLOBAL POSTIONING SYSTEM) I.1. GIỚI THIỆU VỀ GPS. Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống xác định vị trí dựa trên vị trí của các vệ tinh nhân tạo. Trong cùng một thời điểm, ở một vị trí bất kỳ trên trái đất nếu xác định được khoảng cách đến tối thiểu ba vệ tinh thì ta có thể tính được tọa độ của vị trí đó. GPS được thiết kế quản lý bởi Bộ Quốc Phòng Hoa Kỳ, nhưng chính phủ Hoa Kỳ cho phép mọi người sử dụng nó miễn phí, bất kể quốc tịch. I.2. THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG GPS. Hệ thống định vị GPS bao gồm 3 bộ phận:Bộ phận người dùng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển. Hình 1.1: Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu. I.2.1. BỘ PHẬN NGƯỜI DÙNG Bộ phận người dùng là thiết bị thu tín hiệu GPS và người sử dụng những thiết bị này. Thiết bị thu tín hiệu GPS là một máy thu tín hiệu sóng vô tuyến đặc ~ 5 ~ biệt. Nó được thiết kế để thu tín hiệu GPS có nhiều kích cỡ khác nhau, hình dáng và giá cả khác nhau. I.2.2. BỘ PHẬN KHÔNG GIAN. Bộ phận không gian gồm các vệ tinh GPS mà nó truyền tín hiệu về thời gian và vị trí tới bộ phận người dùng. Tập hợp tất cả các vệ tinh này được gọi là “chòm sao”. I.2.3. BỘ PHẬN ĐIỀU KHIỂN Bộ phận điều khiển gồm toàn bộ thiết bị trên mặt đất được sử dụng để giám sát và điều khiển các vệ tinh. Bộ phận này thường người sử dụng không nhìn thấy, nhưng đây là bộ phận quan trọng của hệ thống GPS. I.3. THÀNH PHẦN TÍN HIỆU GPS Mỗi tín hiệu GPS phát tín hiệu radio với tần số rất cao, bao gồm 2 tần số sóng mang được điều chế bởi hai loại mã (mã C/A và mã P-code) và thông tin định vị. Hai sóng mang được phát ra với tần số 1,575.42 MHz (sóng mang băng tần L1) và 1,227.60MHz (sóng mang băng tần L2). Tức là bước sóng xấp xỉ 19cm và 24.4 cm. Việc sử dụng 2 loại sóng mang này cho phép sửa lỗi chính trong hệ thống GPS đó là sự trễ trong tầng khí quyển, điều này được giải thích rõ ràng hơn trong phần sửa lỗi hệ thống. Tất cả các vệ tinh GPS phát chung tần số sóng mang L1 và L2. Tuy nhiên mã điều chế thì khác nhau cho mỗi vệ tinh khác nhau. Hai loại mã được dùng là mã C/A(Coarse/ Acquisition) và mã P- code(Precision code). Mỗi mã bao gồm một nhóm số nhị phân 0 và 1 gọi là các bit. Các mã thông thường được biết đến là mã PRN- Pseudo Random Noise(Mã ồn giả ngẫu nhiên) gọi là như vậy vì chúng được tạo ra một cách ngẫu nhiên và tín hiệu giống như các tín hiệu ồn, nhưng thực tế chúng được phát ra từ các giải thuật toán học. Hiện nay mã C/A chỉ được điều chế ở băng tần L1 còn mã P-code được điều chế ở cả 2 băng tần L1 và L2. Việc điều chế này gọi là điều chế lưỡng pha vì pha của chúng dịch 180 0 khi giá trị mã thay đổi từ 0→1 hay từ 1→0. Mã C/A là 1 luồng bit nhị phân của 1023 và lặp lại bản thân chúng trong mỗi giây. Điều này có nghĩa là tốc độ chip của mã C/A là 1,023Mbps. Hay theo cách ~ 6 ~ khác, chu kì của một bit xấp xỉ 1ms hay tương đương với 300m. Việc đo đạc sử dụng mã C/A là kém chính xác so với mã P-code nhưng nó ít phức tạp và được cung cấp cho tất cả người sử dụng. Mã P-code là một chuỗi dài các số nhị phân, nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A(Tốc độ là 10,23Mbps). Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10,23Mbps suy ra mã P-code là một luồng gồm 2,35x10 14 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn, mỗi đoạn là 1 tuần. 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau. Mỗi vệ tinh phát ra đoạn 1 tuần của mã P-code, chúng được khởi tạo vào nữa đêm nằm giữa thứ 7 và chủ nhật hàng tuần. 6 đoạn còn lại là để dành riêng cho mục đích sử dụng khác. Mã P-code được thiết kế chủ yếu sử dụng cho mục đích quân sự. Nó được cung cấp cho người sử dụng vào ngày 31/1/1994. Ở thời điểm đó mã P-code được mã hóa bằng việc thêm vào nó 1 loại mã W-code. Và kết quả của việc thêm vào loại mã code này là mã Y-code và nó có tốc độ chíp giống với mã P-code. Hình 1.2: Mô hình tín hiệu GPS khi truyền ~ 7 ~ 1.3.1. ĐO KHOẢNG CÁCH GIẢ THEO C/A-code và P-code Code tựa ngẫu nhiên được phát đi từ vệ tinh cùng với sóng tải. Máy thu GPS cũng tạo ra code tựa ngẫu nhiên đúng như vậy. Bằng cách so sánh code thu từ vệ tinh và code của chính máy thu tạo ra có thể xác định được khoảng thời gian lan truyền của tín hiệu code, từ đó dễ dàng xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu. Do có sự không đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu, do có ảnh hưởng của môi trường lan truyền tin hiệu nên khoảng cách tính theo khoảng thời gian đo được không phải là khoảng cách thực giữa vệ tinh và máy thu, đó là khoảng cách giả. Hình 1.3: Xác định hiệu số giữa các thời điểm Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là x, y, z tọa độ của điểm xét (máy thu) là x, y ,z, thời gian lan truyền tín hiệu từ vệ tinh đến điểm xét là t, sai số không đồng bộ giữa đồng hồ trên vệ tinh và trong máy thu là ∆t, khoảng cách giả đo được là R. Ta có phương trình sau: Trong đó: ~ 8 ~ - c là tốc độ lan truyền tín hiệu 1.3.2. ĐO PHA CỦA SÓNG TẢI Mỗi vệ tinh GPS truyền đồng thời 2 dải tần số là L1 và L2 (L1 là 1575,42MHz, L2 là 1227,60MHz) Sóng mang của tín hiệu L1 gồm 1 thành phần cùng pha và một thành phần vuông pha. Thành phần cùng pha là hai pha được điều chế bởi 1 luồng dữ liệu 50bps và một mã giả ngẫu nhiên được gọi là mã C/A bao gồm 1 chuỗi 1023 chip nối tiếp có chu kì là 1ms và 1 tốc độ xung nhịp 1,023MHz. Thành phần vuông pha cũng là hai pha được điều chế bởi 1 luồn dữ liệu 50bps nhưng có một sự khác nhau đó là thành phần vuông pha dùng mã giả ngẫu nhiên được gọi là P-code, nó có xung nhịp là 10,23 MHz và chu kì là 1 tuần. Biểu thức toán học của sóng L1 là: Trong đó: - P 1 là công suất của thành phần sóng mang cùng pha - P Q là công suất của thành phần sóng mang vuông pha - d(t) là sự điều chế dữ liệu 50bps - c(t) và p(t) tương ứng là những sóng mã C/A và mã giả ngẫu nhiên - L1 là tần số sóng mang - 0 là độ dịch pha - Công suất sóng mang vuông pha P Q ít hơn xấp xỉ 3db so với P 1 Trái ngược với tín hiệu L1, tín hiệu L2 được điều chế với duy nhất dữ liệu 50bps và mã P-code. Biểu thức toán học của tín hiệu L2 ~ 9 ~ Hình 1.4: Cấu trúc thành phần cùng pha của tín hiệu L1 Dữ liệu 50bps được nhân với sóng mang rồi sau đó được mã hóa theo mã C/A và được truyền đi. Hình 1.5: Cấu trúc thành phần vuông pha của tín hiệu L1 ~ 10 ~ [...]... trường Trái đất III CÁC CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ CAO, VĨ ĐỘ, KINH ĐỘ TRONG ELIPSOID VÀ CÁC HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ TẠI VIỆT NAM ~ 12 ~ 3.1 CÁC CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ CAO, VĨ ĐỘ, KINH ĐỘ TRONG ELIPSOID VỊ TRÍ NGƯỜI DÙNG TRONG HỆ THỐNG HÌNH CẦU Vị trí người sử dụng là một hệ thống phối hợp Descartes Nó thường là chuyển đổi sang một hệ thống cầu và vị trí trong vĩ độ, kinh độ, và độ cao như các bản đồ Kinh độ của 1 điểm... và một số nước Hệ WGS84 được coi là một trong những hệ chuẩn xác nhất hiện nay với sai số hai bán trục và độ lệch gốc tọa độ so với địa tâm trái đất là ± 1m Các số đo được thực hiện qua máy thu vệ tinh GPS (Global Positioning System) trên toàn thế giới đều được kết xuất trên hệ tọa độ này Hệ WGS84 được xác định bởi định nghĩa sau đây: Định nghĩa: Hệ quy chiếu WGS84 là một hệ quy chiêu cao độ và tọa độ. .. CHIẾU TỌA ĐỘ TẠI VIỆT NAM HỆ QUY CHIẾU TOẠ ĐỘ VÀ CAO ĐỘ HN-72 • Hệ quy chiếu tọa độ và cao độ HN-72 được bắt đầu thành lập từ 1959 và được công bố kết quả vào năm 1972 trên cơ sở được xác định bởi định nghĩa sau đây: Định nghĩa : Hệ quy chiếu HN72 là một hệ quy chiếu cao độ và tọa độ trắc địa gồm hai hệ: 1) Hệ quy chiếu cao độ là một mặt QuasiGeoid đi qua một điểm được định nghĩa là gốc có cao độ 0.000... tính năng đặc trưng cho Trái đất, khối elipsoid tương ứng được gọi là Elipsoid Trái đất Tùy thuộc vào phạm vi của phần bề mặt Trái đất mà khối Elipsoid cụ thể đặc trưng cho nó, ta sẽ có hai loại Elipsoid Trái đất chủ yếu là Elipsoid chung và Elipsoid thực dụng Sau đây là các khái niệm cụ thể về các loại Elipsoid này II.1.1 ELIPSOID CHUNG Elipsoid phù hợp tốt nhất đối với Trái đất trên phạm vi toàn bộ... trái đất hình cầu lý tưởng hoặc bán kính trung bình của trái đất Kể từ khi trái đất không phải là khối cầu hoàn hảo, một số trong những phương trình cần phải được sửa đổi Một số mối quan hệ cơ bản trong một hình elip ~ 14 ~ Hình 1.7: Vĩ độ địa tâm và trắc địa Hình trên cho ta thấy một hình elip mà có thể được sử dụng để đại diện phần của trái đất đi qua trục Chúng ta hãy giả định rằng bán trục lớn... Vị trí một điểm mặt đất trong hệ VN72 được xác định bằng một vĩ độ trắc địa B một kinh độ trắc địa L và một cao độ trắc địa H Hiệu giữa cao độ trắc địa H và cao độ chuẩn Hγ được gọi là dị thường cao độ ζ , thể hiện cao độ của mặt QuasiGeoid so với mặt Ellipsoid: ζ = H - Hγ • HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ VÀ CAO ĐỘ INDIAN54 Hệ quy chiếu INDIAN54 là một hệ được sử dụng rông rãi ở Thái lan và ở miền Nam Việt Nam... Pcode và được truyền đi II MỘT SỐ ELIPSOID CƠ BẢN TRONG HỆ TỌA ĐỘ TRÁI ĐẤT II.1 CÁC LOẠI ELIPSOID TRÁI ĐẤT Như đã biết, bề mặt thực của Trái đất bị lồi lõm, uốn nép rất phức tạp Vì thế, để đáp ứng đa phần các nhu cầu nghiên cứu lí thuyết cũng như các ứng dụng thực tiễn, người ta thường thay thế nó bằng bề mặt có dạng hình học đơn giản, nhưng cũng đủ gần với nó Đó là mặt Elipsoid tròn xoay Để cho ngắn... kinh độ: 00 đông – 1800 đông 00 tây – 1800 tây Vĩ độ của 1 điểm là góc hợp bởi phương dây dọi qua điểm đó với mặt phẳng chứa xích đạo Giá trị vĩ độ: 00 bắc – 900 bắc 00 nam – 900 nam Từ con số này, khoảng cách từ trung tâm của trái đất cho người sử dụng là - Vĩ độ Lc là ~ 13 ~ - Kinh độ l là Hình 1.6: Một octet của một hình cầu trái đất lý tưởng - Cao độ h là ở đây re là bán kính của một trái đất hình... Hệ quy chiếu tọa độ trắc địa INDIAN54 là một mặt Ellipsoid kích thước Everest 1830 với: Bán trục lớn a = 6 377276.345 m Độ lệch tâm thứ nhất (hay độ dẹt e2 = 0.006637846630 α (f) = 1/ 300.8017) ~ 26 ~ • HỆ QUY CHIẾU TỌA ĐỘ VÀ CAO ĐỘ WGS84 Hệ quy chiếu WGS84 là một hệ quy chiếu thế giới (World Geodetic System) do Cơ quan Bản đồ Bộ quốc phòng Mỹ công bố năm 1984 và được sử dụng như một hệ quy chiếu chính... hơn Cao độ một điểm mặt đất bất kỳ trong hệ quy chiếu này được thể hiện bằng cao độ chuẩn H γ, theo phương dây dọi từ điểm đó đến mặt QuasiGeoid 2) Hệ quy chiếu tọa độ trắc địa là một mặt Elipsoid kích thước do Krasovsky (Nga) xác định: Bán trục lớn a = 6 378 245 m Độ lệch tâm thứ nhất e2 = 0.006693421623 (hay độ dẹt α (f) = 1 / 298.3) và được định vị theo giá trị quy ước tọa độ trắc địa tại một điểm . nhị phân, nó lặp lại bản thân nó sau 266 ngày. Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C/A(Tốc độ là 10,23Mbps). Nhân với thời gian lặp lại bản thân nó sau 266 ngày để cho ra tốc độ 10,23Mbps suy. là: Sử dụng kết quả này, nếu h = 100 km, và r 0 = r e = 63 68 km (bán kính trung bình của trái đất), các sai số tính toán nhỏ hơn 0 ,6 m. Do đó: là một xấp xỉ tốt. Tuy nhiên, trong phương trình. 266 ngày để cho ra tốc độ 10,23Mbps suy ra mã P-code là một luồng gồm 2,35x10 14 chip mã dài 266 ngày được chia ra 38 đoạn, mỗi đoạn là 1 tuần. 32 đoạn được phân chia tới các vệ tinh khác nhau.