Giáo trình Hệ thống định vị toàn cầu GPS và đo GPS (Nghề Trắc địa công trình Cao đẳng)

BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠ ĐUN: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS VÀ ĐO GPS
NGHỀ: TRẮC ĐỊA CƠNG TRÌNH
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Quảng Ninh, năm ……………

1



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


MỞ ĐẦU
Cơng nghệ ứng dụng hệ thống định vị tồn cầu GPS đã được đưa vào sản
xuất ở Việt Nam từ năm 1991. Trên cơ sở sử dụng 3 máy thu GPS của hãng
TRIMBLE loại 1 tần số 4000-ST, Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ thuộc Cục
Đo đạc và bản đồ Nhà nước lúc đó đã gấp rút thử nghiệm để đưa vào sản xuất,
nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các mạng lưới toạ độ nhà nước ở những khu
vực khó khăn nhất của đất nước, mà bằng công nghệ truyền thống (phương
pháp tam giác, đường chuyền) không có khả năng thực hiện, hoặc phải chi phí
rất lớn và trong thời gian dài mới thực hiện được. Trong những năm 1991 đến
1994, theo kế hoạch nhiệm vụ do Cục Đo đạc và bản đồ Nhà nước giao, Liên

hiệp KHSX Trắc địa bản đồ đã xây dựng thành công các mạng lưới toạ độ nhà
nước hạng II ở khu vực Minh Hải, Sông Bé và Tây Nguyên, đồng thời đã xây
dựng thành công mạng lưới trắc địa biển nối các đảo và quần đảo xa ( kể cả
Trường Sa ) với mạng lưới toạ độ nhà nước trên đất liền.
Từ đó đến nay, việc ứng dụng cơng nghệ GPS đã có những bước phát triển
rất lớn. Từ chỗ chỉ có 3 máy thu GPS 1 tần số của hãng TRIMBLE, đến nay ở
Việt Nam đã có trên 82 máy thu GPS các loại của các hãng khác nhau, từ máy thu
đặt trên máy bay, máy thu 2 tần số, máy đo động đến máy có độ chính xác trung
bình ( GEO EXPLORER ) để đo khống chế ảnh. Các lĩnh vực ứng dụng công
nghệ GPS hiện nay cũng rất đa dạng, từ ứng dụng để xây dựng các mạng lưới toạ
độ nhà nước, độ chính xác cao, khoảng cách lớn; ứng dụng trong dẫn đường và
xác định toạ độ tâm chính ảnh khi bay chụp ảnh bằng máy bay; xây dựng các
mạng lưới toạ độ, độ cao địa chính cấp 1; dẫn đường và xác định toạ độ đo vẽ bản
đồ địa hình đáy biển; đo toạ độ, độ cao các điểm khống chế ảnh ngoại nghiệp; đo
toạ độ độ cao các mốc quốc giới; xây dựng các mạng lưới cơng trình v.v... Các
phần mềm để xử lý tính tốn bình sai các trị đo GPS cũng đa dạng, chủ yếu là các
phần mềm kèm theo máy thu, như TRIMVEC, TRIMVEC PLUS, TRIMNET,
TRIMNET PLUS, GPSURVEY, PHASE PROCESSOR, GEOMATIC OFFICE
(hãng TRIMBLE); GPPS (ASHTECH), v.v... và 1 phần mềm bình sai lưới GPS
do Liên hiệp KHSX Trắc địa bản đồ xây dựng.
Qua kết quả nghiên cứu và trực tiếp tham gia đo và xử lý, tính tốn kết
quả đo GPS chúng tôi biên soạn tập tài liệu này để đồng nghiệp tham khảo. Tập
tài liệu gồm 3 chương sau đây:
Bài 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS
Bài 2: Tổ chức thực hiện đo GPS
Bài 3. Xử lý số liệu đo GPS
Bài 4: Đo GPS lập lưới khống chế mặt bằng
Bài 5: Đo GPS phục vụ đo vẽ địa chính
Bài 6: Đo GPS phục vụ trắc địa cơng trình
Bài 7: Đo cao GPS

BÀI 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1. Cấu trúc của hệ thống GPS, chuyển động và quỹ đạo của vệ tinh
1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS

Hệ thống GPS là một hệ thống định vị vệ tinh tiếp theo sau hệ thống
DOPPLER. GPS là từ viết tắt của GLOBAL POSITIONING SYSTEM. Hệ
thống này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 70 do quân đội Mỹ chủ trì.
Trong những năm đầu của thập kỷ 80 quân đội Mỹ đã chính thức cho phép
dùng trong dân sự. Từ đó các nhà khoa học của nhiều nước phát triển đã lao
vào cuộc chạy đua để đạt được những thành quả cao nhất trong lĩnh vực sử
dụng hệ thống vệ tinh chuyên dụng GPS. Những thành tựu này cho kết quả
trong hai hướng chủ đạo là chế tạo các máy thu tín hiệu và thiết lập các phần
mềm để chế biến tín hiệu cho các mục đích khác nhau.
Cho tới năm 1988, các máy thu GPS do 10 hãng trên thế giới sản xuất đã
đạt được trình độ cạnh tranh trên thị trường. Vì lý do trên, giá máy đã giảm
xuống tới mức hợp lý mang tính phổ cập. Mười hãng trên thế giới sản xuất máy
thu GPS bao gồm các hãng chính như: TRIMBLE NAVIGATION (Mỹ),
ASHTECH (Mỹ), WILD (Thụy sĩ), SEGSEL (Pháp), MINI MAX (Tây Đức).
Theo dư luận thị trường hiện nay máy thu của hãng TRIMBLE NAVIGATION
đang được đánh giá cao nhất.
Về phương diện phần mềm của hệ thống GPS, chúng ta sẽ thấy tính đa
dạng hơn của nó. Trị đo thu được chỉ có một loại, đó là tín hiệu vệ tinh phát ra.
Chế biến các tín hiệu này bằng các phương pháp khác nhau, thuật toán khác
nhau chúng ta có được các tham số hình học và vật lý khác nhau của trái đất.
Chúng ta có thể nói khả năng phần mềm là vơ tận. Với các tín hiệu thu được
chúng ta có thể tính được tọa độ khơng gian tuyệt đối (với độ chính xác 10 m
và có thể tới 1 m nếu sử dụng lịch vệ tinh chính xác), số gia tọa độ khơng gian
(độ chính xác từ 1 cm tới 5 cm), số gia tọa độ địa lý (độ chính xác từ 0.7 đến 4

cm), số gia độ cao (độ chính xác từ 0.4 cm đến 2 cm), và số gia trọng lực (độ
chính xác 0.2 mgl). Ngồi ra cịn có thể có những tham số khác đang được
nghiên cứu.
Toàn bộ phần cứng của hệ thống GPS có tên đầy đủ là NAVSTAR GPS
SYSTEM. NAVSTAR viết tắt chữ NAVIGATION SYSTEM WITH TIME
AND RANGING.
Phần cứng này gồm 3 phần: phần điều khiển (Control Segment), phần
không gian (Space Segment) và phần sử dụng (User Segment).
1.1.1. Phần điều khiển (Control Segment):
Phần điều khiển gồm 8 trạm mặt đất trong đó có 4 trạm theo dõi
(Monitor Station): Diego Garcia, Ascension, Kwajalein và Hawaii; một trạm
điều khiển trung tâm (Master Control Station) và 3 trạm hiệu chỉnh số liệu
(Upload Station). Lưới trắc địa đặt trên 4 trạm này được xác định bằng phương
pháp giao thoa đường đáy dài (VLBI). Trạm trung tâm làm nhiệm vụ tính tốn
lại tọa độ của các vệ tinh theo số liệu của 4 trạm theo dõi thu được từ vệ tinh.
1


Sau tính tốn các số liệu được gửi từ trạm trung tâm tới 3 trạm hiệu chỉnh số
liệu và từ đó gửi tiếp tới các vệ tinh. Như vậy trong vịng 1 giờ các vệ tinh đều
có một số liệu đã được hiệu chỉnh để phát cho các máy thu.
1.1.2. Phần khơng gian (Space Segment):
1.1.2.1 Chịm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20 200 km,
chu kỳ 12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo
một góc 55o. Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí
trên trái đất đều có thể quan sát được 4 vệ tinh.
Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần số cao L1=1575.42 MHz và
L2=1227.60 MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở dãy số tựa ngẫu nhiên bao
gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P (Precise). Bên cạnh mã P sóng

cịn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng L1. Mã C/A được phát với
2 tần số 10.23 MHz và 1.023 MHz. Ngoài 2 mã trên vệ tinh cịn phát mã phụ có
tần số 50 Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh. Các vệ tinh đều được trang bị
đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.
Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" ( Healthy) và
"hoạt động không khoẻ ( Unhealthy). Hai trạng thái của vệ tinh này được quyết
định do 4 trạm điều khiển mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ
tinh ở cả hai trạng thái "hoạt động khỏe" và "hoạt động khơng khỏe".
1.1.2.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42 MHz và tần số 1227,60 NHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, rất
mạch lạc và được điều chế bởi những tín hiệu khác nhau.
Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất được biết dưới cái tên là mã
C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một,
được phát đi ở tần số fo/10= 1.023 MHz. Chuỗi này được lặp lại sau mỗi mili
giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được biết dưới cái tên
là mã P (Precise - code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một khác,
được phát đi ở tần số fo = 10,23 MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày. Thời
gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một
đoạn không dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất , theo dõi các tàu
thuyền sử dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày
dành cho những vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã
P, có thể dùng thay cho mã P. Tuy nhiên phương trình tạo ra mã P thì được
cơng bố rộng rãi và khơng giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì
giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y được sử dụng thì những người sử dụng GPS
khơng có giấy phép (nói chung là những người khơng thuộc qn đội Mỹ và
đồng minh của họ) sẽ không thu được mã P (hoặc mã Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (Mã-C/A và Mã`-P hoặc mã
Y), trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một Mã-P hoặc mã Y.

Các mã được điều chế trên sóng mang bằng cách giản đơn có ý thức. Nếu
mã có trị số -1 thì phase sóng mang đổi 1800, cịn nếu mã số có trị số +1 thì
phase sóng mang giữ ngun khơng thay đổi.
Cả hai sóng mang đều mang thơng báo vệ tinh (Satellite message) cần
phát dưới dạng một dòng dữ liệu được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thông báo
tới người sử dụng tình trạng và vị trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các
máy thu giải mã và dùng vào việc xác định vị trí của máy theo thời gian thực.
1.1.2.3. Phần sử dụng (User Segment):
Phần sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu từ vệ tinh trên đất liền, máy
bay và tàu thủy. Các máy thu này phân làm 2 loại: máy thu 1 tần số và máy thu
2 tần số. Máy thu 1 tần số chỉ nhận được các mã phát đi với sóng mang L1. Các
máy thu 2 tần số nhận được cả 2 sóng mang L1 và L2. Các máy thu 1 tần số
phát huy tác dụng trong đo tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m và tọa độ
tương đối với độ chính xác từ 1 đến 5 cm trong khoảng cách nhỏ hơn 50 km.
Với khoảng cách lớn hơn 50 km độ chính xác sẽ giảm đi đáng kể (độ chính xác
cỡ dm). Để đo được trên những khoảng cách dài đến vài nghìn km chúng ta
phải sử dụng máy 2 tần số để khử đi ảnh hưởng của tầng ion trong khí quyển
trái đất. Tồn bộ phần cứng GPS hoạt động trong hệ thống tọa độ WGS-84 với
kích thước elipsoid a=6378137.0 m và =1:29825722.
a. Các bộ phận của một thiết bị GPS trong phần sử dụng.
Phần sử dụng GPS có thể được coi gồm 3 bộ phận chính:
* Phần cứng
* Phần mềm
* Phần triển khai công nghệ
Phần cứng bao gồm máy thu mạch điện tử , các bộ dao động tần số vô
tuyến RF (Radio Friquency), các ăngten và các thiết bị ngoại vi cần thiết để
hoạt động máy thu. Đặc điểm chính yếu của bộ phận này là tính chắc chắn, có
thể xách tay, tin cậy khi làm việc ngoài trời và dễ thao tác.
Phần mền bao gồm những chương trình tính dùng để xử lý dữ liệu cụ thể,

chuyển đổi những thông báo GPS thành những thông tin định vị hoặc dẫn
đường đi hữu ích. Những chương trình này cho phép người sử dụng tác động
khi cần để có thể lợi dụng được những ưu điểm của nhiều đặc tính định vị GPS.
Những chương trình này có thể sử dụng được trong điều kiện ngoại nghiệp và
được thiết kế sao cho có thể cung cấp những thơng báo hữu ích về trạng thái và
sự tiến bộ của hệ thống tới người điều hành. Ngồi ra trong phần mềm cịn bao
gồm những chương trình phát triển tính độc lập của máy thu GPS , có thể đánh
giá được các nhân tố như tính sẵn sàng của vệ tinh và mức độ tin cậy của độ
chính xác.
Phần triển khai cơng nghệ hướng tới mọi lĩnh vực liên quan đến GPS
như: cải tiến thiết kế máy thu, phân tích và mơ hình hố hiệu ứng của ăngten
khác nhau, hiệu ứng truyền sóng và sự phối hợp của chúng trong phần mềm xử


lý số liệu, phát triển các hệ thống liên kết truyền thông một cách tin cậy cho các
hoạt động định vị GPS cự ly dài và ngắn khác nhau và theo dõi các xu thế phát
triển trong lĩnh vực giá cả và hiệu suất thiết bị.
b. Những bộ phận chính của máy thu GPS.
Các bộ phận cơ bản của một máy thu GPS bao gồm:
* Ăngten và bộ tiền khuếch đại
* Phần tần số vô tuyến (RF)
* Bộ vi xử lí
* Đầu thu hoặc bộ điều khiển và thể hiện
* Thiết bị ghi chép
* Nguồn năng lượng
Ăngten và bộ tiền khuếch đại : Các Ăngten dùng cho máy thu GPS thuộc
loại chùm sóng rộng , vì vậy khơng cần phải hướng tới nguồn tín hiệu giống
như các đĩa ăngten vệ tinh . Các ăngten này tương đối chắc chắn và có thể đặt
trên ba chân hoặc lắp trên các phương tiện giao thơng, vi trí thực sự được xác
định là trung tâm Phase của ăngten, sau đó được truyền lên mốc trắc địa.

Phần tần số vô tuyến : Bao gồm các vi mạch điện tử xử lí tín hiệu và kết
hợp số hóa và giải tích. Mỗi kiểu máy thu khác nhau dùng những kỹ thuật xử lí
tín hiệu khác nhau đôi chút, các phương pháp này là :
* Tương quan mã
* Phase và tần số mã
* Cầu phương tín hiệu sóng mang
Phần tần số vơ tuyến bao gồm các kênh sử dụng một trong ba phương
pháp nói trên để truy cập các tín hiệu GPS nhận được, số lượng các kênh biến
đổi trong khoảng từ 1 đến 12 tuỳ theo nhũng máy thu khác nhau.
Bộ điều khiển: Cho phép người điều hành can thiệp vào bộ vi xử lí. Kíck
thước và kiểu dáng của bộ điều khiển ở các loại máy thu khác nhau cũng khác
nhau.
Thiết bị ghi : Người ta dùng máy ghi băng từ hoặc các đĩa mềm để ghi
các trị số quan trắc và những thông tin hữu ích khác được tách ra từ những tin
hiệu thu được
Nguồn năng lượng : Phần lớn các máy thu đều dùng nguồn điện một
chiều điện áp thấp, chỉ có một vài máy địi hỏi phải có nguồn điện xoay chiều.
1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER,
đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển
động. Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác. Để xác
định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa
khoảng cách". Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức:


C .t + C . t = (x s − x p ) 2 + (y s − y p ) 2 + (z s − z p ) 2

(1)

ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;

p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;
c - Tọa độ sóng;
t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.
t - Số hiệu chỉnh thời gian.
Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số
có 4 ẩn số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số
50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng
số tốc độ truyền sóng điện từ. Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa
độ với độ chính xác 10 m. Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung
tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m. Sở dĩ độ
chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo,
cịn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác. Qua đây chúng ta
thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém
phương pháp DOPPLER. Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao
gấp đôi hệ thống DOPPLER. Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ
thống GPS chỉ dùng để đáp ứng 2 mục đích:
- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy
bay....)
- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS.
Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt
được thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối. Nguyên lý đo tọa
độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1
và L2 (với máy thu 2 tần số).
Chúng ta có cơng thức:
S = N + 

(2)

Trong đó:  - Bước sóng ( = c/f)
f: Tần số sóng;

N: Số nguyên lần bước sóng;
: Pha của sóng;
S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu.
Từ công thức (2) chúng ta có:
 = (f/c).S - N

(3)

Xét cơng thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:
(t) = s(ts ) - p(t) + Nsp

(4)

s(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;


p(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;
Nsp - Số nguyên lần bước sóng.
Từ các cơng thức trên ta suy ra:
(t) = s(t) - (f/c).Ssp - p(t) + Nsp

(5)

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn
dưới dạng:
(t) = - (f/c).Ssp - p(t) + s(t) + sp

(6)

Trong đó:

p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ
yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)
s(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ
yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)
sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu
gây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là s(to) - p(to) + Nsp , trong đó to là
thời điểm bắt đầu đo)
Cơng thức (6) chính là cơng thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ
thuật đo tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp
các trị đo sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p.


BÀI 2. TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐO GPS
1. Chon thời điểm và thiết kế lịch đo GPS

Trong phần này sẽ tiến hành nghiên cứu, phân tích thời điểm và thời gian
đo GPS.
Việt Nam có vị trí địa lý ở vĩ độ thấp, do đó hầu như htời điểm nào cũng
có đủ tối thiểu 4 vệ tinh GPS bay qua, tuy nhiên với thời gian đo tối thiểu đối
với các cạnh có chiều dài khác nhau như đã nhận xét ở trên, không phải thời
điểm nào kết quả đo GPS cũng đạt các yêu cầu. Để dễ dàng trong việc tính cạnh
và đạt kết quả cao nhất trước khi đo GPS cần phải lập lịch đo để chọn khoảng
thời gian đo tối ưu phù hợp với số thời gian đo tối thiểu.
Việc lập lịch đo có thể tiến hành theo chương trình trong bộ phần mềm xử
lý kèm theo các loại máy GPS khác nhau (đối với các loại máy thu của hãng
Intergraph là chương trình MISSION PLANNING). Nội dung lập lịch đo là xác
định kế hoạch đo hợp lý nhất với từng vị trí trên trái đất và từng thời điểm.
Chương trình lập lịch đo cho ta các biểu đồ về tất cả các chỉ tiêu của vệ tinh GPS
để lựa chọn. Các biểu đồ chính được trình bày trong các hình 10 đến hình 17.

Hình 10:Các vệ tinh GPS trên bầu
trời trong 24 giờ

Hình 12:Số hiệu các vệ tinh trong
từng thời điểm

Hình 11: Số lượng vệ tinh trong
từng thời điểm

Hình 13: Độ cao các vệ tinh so với
điểm đặt máy thu


Hình 14:Độ chính xác vị trí vệ tinh

Hình 16: Độ chính xác độ cao vệ tinh

Hình 15:Độ chính xác mặt phẳng

Hình 17:Độ chính xác hình học

Từ các biểu đồ trên đây, chúng ta có thể thấy rằng đối với vị trí địa lý của
Việt Nam thời điểm đo GPS tốt nhất là vào ban đêm từ khoảng 19 giờ đến nửa
đêm và từ 4 đến 7 giờ sáng, buổi chiều từ khoảng 14 đến 16 giờ. Cũng trong
các khoảng thời gian trên có số vệ tinh bay qua lớn nhất (trên 8 vệ tinh).
Đối với hầu hết các lâọi máy thu đo GPS có thể tiến hành theo một trong
2 kiểu:
1. Đo nhanh (Quick Start): là chế độ bật máy và máy sẽ thu ngay tín hiệu
của các vệ tinh đang có trên bầu trời. Chế độ này khơng địi hỏi một sự chuẩn bị
trước nào khác.

2. Đo theo chương trình đặt trước ( Pre-Planned Start) là chế đo được
chuẩn bị trước. Đo theo chương trình có 2 loại: theo giờ định trước cho mỗi
ngày và theo giờ cùng ngày định trước. Loại thứ nhất thường dành cho việc đo
trên những điểm gốc đặt cố định còn loại thứ 2 thường dùng để đo trên những
điểm dã ngoại. ở chế độ đo theo chương trình chúng ta có thể đặt trước tên
điểm đo, ghi chú điểm, thời gian bắt đầu đo, thời gian kết thúc đo, độ cao vệ
tinh bắt đầu thu tín hiệu, số hiệu những vệ tinh máy cần nhận tín hiệu.
Khi sử dụng chế độ đo theo chương trình (PRE - LANNED START) trên
máy thu chúng ta cần phải đặt trước tên trạm đo và thời gian đo thích hợp (xác
định theo chương trình MISSION PLANNING).
Sau khi kết thúc đo chúng ta trút trị đo từ máy thu vào máy tính bằng
chương trình trút số liệu tương ứng (DOWNLOAD DATA) .
Đối với các loại máy thu của Hãng Trimble Navigation trị đo bao gồm
các tập hợp (files): T.EPH, T.MES, T.ION, T.DAT (T là tên tập hợp). Tập hợp
T.EPH là tập hợp chứa lịch vệ tinh, tập hợp T.MES chứa những thông tin bổ
sung, tập hợp T.ION chứa tham số về tầng ion của khí quyển cịn tập hợp
T.DAT chứa số liệu đo bao gồm pha  và thời gian t. Đối với loại máy thu của


Hãng Ashtech trị đo gồm 3 tập hợp có ký hiệu đầu là B, E và S. Tập hợp B, E
tương đương với T.DAT, T.EPH, còn tập hợp S chứa các số liệu khí tượng. Để
có thể tính cạnh bằng các phần mềm khác nhau, khi trút số liệu nên chuyển các
tập hợp trị đo về dạng RINEX 1.3 .1 Phép định vị tĩnh và định vị động.
Hệ GPS có thể được dùng để định vị các vật thể tĩnh tại hoặc các vật thể
chuyển động. Mặc dù trị quan trắc là như nhau, nhưng trên thực tế do ăngten
tĩnh hoặc động khác nhau nên dãn đến những khác nhau rất lớn.
Nếu ăngten cố định chúng ta có thể quan trắc nhiều cự li đến vệ tinh
khác nhau, việc làm này cho phép ta có những trị đo dư thừa, giải nghiệm từ
nhiều trị đo và nhận được độ chính xác cao của vị trí được xác định. Khi ăngten
chuyển động chúng ta chỉ có thể nhận được những chỉ định (Fix) tức thời,

(thông thường từ 4 cự ly được quan trắc đồng thời hoặc gần như đồng thời)
khơng có số đo dư thừa.
Trong trường hơp định vị tĩnh, chúng ta có thể nhận được hoặc là một
kết quả theo thời gian thực, trong đó mơĩ trị quan trắc mới đều được sử lý sao
cho có thể cải thiện được trị toạ độ vị trí đã được xác định trước đó, hoặc là các
trị quan trắc có thể được xử lý sau khi kết thúc cơng tác ngồi trời.Chúng ta gọi
là nghiệm xử lý sau (postprocessed solution).
Trong phép định vị động, thường người ta cũng tìm kiếm nghiệm theo
thời gian thực, nhưng nghiệm này chỉ bao gồm một vị trí ( Fix ) tại một thời
điểm. Một chuỗi các kết quả tại những chỉ định này ( lộ trình rời rạc của
phương tiện lưu thơng ) có thể được xử lý bằng cách sử dụng một trong số
những thủ thuật tiếp cận bằng đường cong trơn.
2. Đo tĩnh
Khi đòi hỏi trị đo có độ chính xác cao, cần phải sử dụng phép định vị
tương đối. Trong kiểu đo này, hai ăngten cùng hai máy thu tương ứng được đặt
tại hai đầu của cạnh cần quan trắc và phải làm việc đồng thời. Sở dĩ có thể đạt
được độ chính xác cao trong kiểu đo này là vì một số sai số tích luỹ trong các
cự ly quan trắc thường đồng nhất với nhau hoặc tối thiểu cũng tương tự nhau tại
hai đầu của đường đáy. Các sai số này có thể được loại trừ hoặc ít nhất cũng
giảm một cách đáng kể khi xác định trị số định vị tương đối.
Một kiểu định vị tương đối đặc biệt hấp dẫn, lần đầu tiên được Ben
Remondi thuộc Cục Đo đạc trắc địa Mỹ đề xuất, là kiểu định vị tương đối dạng
bán động (relative semi kinematic positioning). Ý tưởng của kiểu đo này là sử
dụng một máy tĩnh vàmột máy di động lang thang xung quanh. Nếu không xuất
hiện trị số trượt chu kỳ trong các máy thu thì có thể liên tục đảm bảo độ chính
xác tốt hơn 1 chu kỳ (20 cm) của tín hiệu phase phách sóng mang trong các trị
số định vị tương đối giữa máy thu tĩnh và máy thu lang thang. Kiến nghị này có
hai ngụ ý:
* Các ứng dụng định vị động có thể lợi dụng độ chính xác cao hơn nhiều
của số đo sóng mang, thay vì bị hạn chế trong độ chính xác của số đo mã.

* Mở ra một phạm vi rộng hơn trong ứng dụng phép định vị GPS: lập
tam giác ảnh hàng không không dùng đến những điểm khống chế mặt đất.
Phép định vị nhiều máy thu.
Độ chính xác của các kết quả đo sẽ được cải thiện một cách đáng kể khi
một số máy thu được triển khai dưới dạng một mạng lưới định vị. Nói chung,
một mạng lưới ln có cấu hình mạnh hơn về mặt hình học so với một cạnh đo
vì có số đo dư thừa - các cạnh đo trong lưới cần phải thoả mãn những điều kiện
được xác định bằng phương pháp hình học. Các trị đo dư thừa được dùng để
kiểm soát ảnh hưởng của những sai số khác nhau, bao gồm sai số ngẫu nhiên và
sai số hệ thống trong các trị quan trắc. Chúng ta để ý thấy rằng ngay cả khi chỉ
có 2 máy thu cũng nên liên kết các cạnh đáy thiết kế thành các mạng lưới, có
như thế mới cải thiện được độ chính xác của các trị số định vị.
Khi triển khai nhiều máy thu, người ta phải đối đầu với những qui luật
khác thường, liên quan đến phần lưới mà trên đó các máy thu đang hoạt động
và liên quan đến các giai đoạn quan trắc trên từng trạm riêng biệt. Trong hoàn
cảnh như vậy, người ta cần phải đặc biệt chú ý thực hiện tối ưu hoá lịch đo để
đạt độ chính xác tốt nhất bằng những cơng cụ rẻ tiền nhất.
3. Đo động
Nếu cần phải xác định vị trí chuyển động với độ chính xác cao thi các
phép định vị điểm mơ tả trước đây có thể khơng đủ sử dụng. Khi đó, cần phải
dùng tới khái niệm định vị phân sai (differential) tương đối. ý tưởng chính của
phép đo này là dùng một ăngten tĩnh tại làm điểm tham chiếu. Sau đó, máy thu
các ăngten tĩnh tại truy cập những vệ tinh giống như những vệ tinh đang được
máy thu có ăngten chuyển động truy cập (tốt nhất là truy cập tất cả các vệ tinh
nhìn thấy được). Độ chính xác được coi là phụ thuộc vào vị trí của máy tĩnh tại
và sự hoạt động của đồng hồ. Sở dĩ có sự khác nhau (tức sai số khép độ dài)
giữa những cự li đo tới các vệ tinh và những cự li tính được từ vị trí "biết trước"
của máy thu tĩnh tại và đồng hồ và sở dĩ có sự biến đổi trơng thấy trong vị trí

của máy thu tĩnh tại là do có những biến động tức thời trong thông tin quỹ đạo
trong giá trị thời gian trễ do khí quyển và trong hoạt động của đồng hồ.
Người ta truyền khoảng lệch vị trí (Position offset) hoặc sai số khép độ
dài tới máy thu chuyển động thông qua việc nối thông tin liên lac trong thời
gian thực . Kết quả của các nghiên cứu cho tháy rằng người ta nhận được
những kết quả tốt hơn và việc bổ sung số liệu chỉnh cũng dễ dàng hơn khi dùng
sai số khép độ dài thay cho khoảng lệch vị trí. Số hiệu chỉnh thời gian thực này
đã nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phép định vị động.
Máy thu tĩnh tại có thể được coi là một vệ tinh giả đặt trên bờ để truyền
tín hiệu và thơng báo đã được mã hố bằng cùng một cách giống như những gì
đã được truyền qua vệ tinh.
4. Cấu hình hình học GPS và độ chính xác.
Độ chính xác định vị điểm bằng GPS phụ thuộc vào hai yếu tố: cấu hình
hình học vị trí vệ tinh và độ chính xác đo đạc. Thành phần thông thường của độ


chính xác đo đạc GPS là sai số đo dài tương đương của người sử dụng (UERE User Equivalent Range Error) thể hiện ảnh hưởng tổng hợp của tính thiếu tin
cậy của lịch thiên văn, sai số truyền sóng, sai số đồng hồ đo thời gian và nhiễu
trong máy thu.
Ảnh hưởng của cấu hình hình học vệ tinh được thể hiện bằng các suy
giảm chính xác DOP (Dilution of Precision) và được tính bằng tỉ số giữa độ
chính xác định vị và độ chính xác đo, hoặc:  = DOP. o
Trong đó o là độ chính xác của trị số đo (độ tán xạ tiêu chuẩn)
 là độ chính xác định vị (độ tán xạ tiêu chuẩn trong một trị số tọa độ)
DOP là một trị số vô hướng thể hiện tác động của cấu hình hình học đối
với độ chính xác của vị trí điểm. Có nhiều trị số DOP khác nhau, tùy thuộc
chúng ta quan tâm độ chính xác của một trị số tọa độ riêng biệt hay là tổng hợp
của những tọa độ. Các trị số DOP thường dùng nhất là:
VDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong cao độ.
HDOP. o là độ chính xác vị trí mặt phẳng 2D.

PDOP. o là độ chính xác vị trí khơng gian 3D.
TDOP. o là độ chính xác tiêu chuẩn trong thời gian.
THDOP. o là độ chính xác mặt phẳng và thời gian.
GDOP. o là độ chính xác vị trí khơng gian 3D và thời gian.
Khoảng tin cậy đối với vị trí điểm xác định trên mặt phẳng chính là căn
bậc hai tổng bình phương hai trục của elip sai số. Đó chính là HDOP. Nói
chung, mỗi DOP đều tương đương với một căn bậc hai của tổng các bình
phương của khoảng tin cậy trên các trục tương ứng với những tham số chúng ta
quan tâm.
5. Độ suy giảm chính xác.
Độ suy giảm chính xác DOP là số đo cường độ hình học của cấu hình
phân bố vệ tinh GPS. Bởi vì cấu hình vệ tinh phụ thuộc vào vị trí, cho nên
cường độ cấu hình thay đổi theo thời gian khi các vệ tinh chuyển động trên quỹ
đạo của chúng từ vị trí này đến vị trí kia.
Chúng ta mong muốn trị DOP càng nhỏ càng tốt. Giả thiết độ chính xác
trị số đo là 10 m, trị DOP là 5 thì chúng ta có độ chính xác định vị là 50 m. Nếu
trị DOP gần bằng đơn vị thì độ chính xác định vị của chúng ta gần bằng độ
chính xác trị số đo 10 m (một tình huống may mắn nhất).
6. Các nguồn sai số trong kết quả đo GPS

6.1 Sai số do đồng hồ.
Đây là sai số của đồng hồ trên vệ tinh, đồng hồ trên máy thu và sự
không đồng bộ của chúng.


Đồng hồ trên vệ tinh được trạm điều khiển trên mặt đất theo dõi và do đó
nếu phát hiện có sai lệch trạm này sẽ phát tín hiệu chỉ thị thơng báo số cải chính
cho máy thu GPS biết để sử lý. Để làm giảm ảnh hưởng sai số đồng hồ cả của
vệ tinh và máy thu, người ta sử dụng hiệu các trị đo giữa các vệ tinh cũng như
giữa các trạm quan sát.

6.2 Sai số do quĩ đạo vệ tinh
Chuyển động của vệ tinh trên quĩ đạo không tuân thủ nghiêm ngặt định
luật Kepler do có nhiều tác động nhiễu như: Tính khơng đồng nhất của trọng
trường trái đất, ảnh hưởng của sức hút của mặt trăng, mặt trời và của các thiên
thể khác, sức cản của khí quyển, áp lực của bức xạ mặt trời,... Vị trí tức thời
của vệ tinh chỉ có thể xác định theo mơ hình chuyển động được xây dựng trên
cơ sở các số liệu quan sát từ các trạm có độ chính xác cao trên mặt đất thuộc
phần điều khiển của hệ thống GPS và đương nhiên có chứa sai số. Có hai loại
ephemerit được xác định từ kết quả hậu sử lý số liệu quan sát cho chính các
thời điểm nằm trong khoảng thời gian quan sát và ephemerit được ngoại suy từ
các ephemerit nêu trên cho máy ngày tiếp theo, loại ephemerit thứ nhất có độ
chính xác ở mức 10 - 50 m, và chỉ được cung cấp khi được Chính phủ Mỹ cho
phép, cịn loại thứ 2 ở mức 20 -100 m và cho phép khách hàng sử dụng. Sai số
vị trí của vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn vẹn tới sai số xác định toạ độ của
điểm quan trắc đơn riêng biệt, nhưng lại được loại trừ đáng kể trong kết quả
định vị tương đối giữa hai điểm.
6.3 Sai số do tầng điện ly và tầng đối lưu
Được phát đi từ vệ tinh ở độ cao 20 200 km xuống tới máy thu trên mặt
đất, các tín hiệu vô tuyến phải xuyên qua tầng điện ly và tầng đối lưu. Tốc độ
lan truyền tín hiệu tăng tỉ lệ thuận với mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và
tỉ lệ nghịch với bình phương tần số của tín hiệu. Ảnh hưởng của tầng điện ly sẽ
được loại trừ đáng kể bằng cách sử dụng hai tần số tải khác nhau. Chính vì thế,
để đảm bảo định vị với độ chính xác cao người ta sử dụng các máy thu GPS 2
tần số. Xong khi 2 điểm quan sát ở gần nhau thì ảnh hưởng nhiễu xạ do 2 tần số
kết hợp sẽ lớn hơn so với 1 tần số và do vậy nên sử dụng máy thu 1 tần số cho
trường hợp định vị ở khoảng cách ngắn. Ảnh hưởng của tầng điện ly vào ban
đêm sẽ nhỏ hơn tới 5-6 lần so với ban ngày.
Ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể được mơ hình hóa theo các yếu tố khí
tượng là nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Nó có thể được xem là gần như nhau đối
với hai điểm quan sát ở cách nhau khơng q vài chục km và vì thế sẽ được loại

trừ đáng kể trong hiệu trị đo giữa hai điểm quan sát.
Để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly và tầng đối lưu người ta quy
định chỉ quan sát vệ tinh ở độ cao từ 15o trở lên so với mặt phẳng chân trời.
6.4 Sai số do nhiễu tín hiệu:
Ăng ten của máy thu khơng chỉ thu tín hiệu đi thẳng từ vệ tinh tới mà cịn
nhận cả các tín hiệu phản xạ từ mặt đất và môi trường xung quanh. Sai số do
hiện tượng này gây ra được gọi là sai số do nhiễu xạ của tín hiệu vệ tinh. Để


làm giảm sai số này, các nhà chế tạo máy thu khơng ngừng hồn thiện cấu tạo
của cả máy thu và ăng ten.
Tổng hợp ảnh hưởng của các nguồn sai số chủ yếu nêu trên cùng với
nguồn sai số phụ khác, khoảng cách từ vệ tinh đến các điểm quan sát phụ khác
sẽ có sai số 13 m với xác suất 95%. Nếu xét đến ảnh hưởng của chế độ C\A thì
sai số này sẽ là 50 m. Song các giá trị này mới chỉ là sai số của khoảng cách từ
mỗi vệ tinh đến điểm quan sát, chứ không phải là sai số của bản thân vị trí điểm
quan sát. Do vị trí điểm quan sát được xác định bởi phép giao hội khoảng cách
từ các vệ tinh nên độ chính xác của nó phụ thuộc vào các góc giao hội, tức là
phụ thuộc vào đồ hình phân bố vệ tinh so với điểm quan sát. để có được sai số
vị trí điểm quan sát ta phải đem sai số khoảng cách giao hội nhân với một hệ số
lớn hơn 1. Hệ số này đặc trưng cho đồ hình giao hội và được gọi là hệ số phân
tán độ chính xác (Dilution of Precision - DOP). Rõ ràng DOP càng nhỏ thì vị trí
điểm quan sát được xác định càng chính xác.
Hệ số DOP tổng hợp nhất là hệ số phân tán độ chính xác hình học GDOP, vì nó đặc trưng cho cả ba thành phần tọa độ không gian X, Y, Z và yếu
tố thời gian t. Hệ số GDOP từ 2 - 4 được coi là tốt.
7. CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

7.1 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ mặt đất
Độ chính xác cao của các trị số đo Phase sóng mang GPS cùng với
những thuật tốn bình sai xấp xỉ dần cung cấp một cơng cụ thích hợp cho nhiều

nhiệm vụ khác nhau trong công tác trắc địa và bản đồ. Chúng ta có thể chia các
ứng dụng này làm 4 loại:
- Đo đạc địa chính
- Lập lưới khống chế trắc địa.
- Theo dõi độ biến dạng cục bộ.
- Theo dõi độ biến dạng toàn bộ.
Đo đạc địa chính địi hỏi độ chính xác vị trí tương đối khoảng 10-4.
Người ta có thể đạt được độ chính xác này một cách dễ dàng bằng cách quan
trắc GPS.
Lưới khống chế trắc địa là những lưới trắc địa có độ chính xác cao. Độ
chính xác yêu cầu về vị trí tương đối khoảng 5.10 -6 đến 1.10-6 ứng với các cự ly
20 - 100 km. Độ chính xác này có thể đạt được bằng cách xử lý sau các trị đo
phase sóng mang GPS bằng những phần mềm tiêu chuẩn. Các cấp hạng khống
chế thấp hơn (ví dụ lưới đo vẽ bản đồ) có thể cũng được thành lập bằng phương
pháp GPS.
Việc theo dõi độ biến dạng cục bộ (lún do khai thác mỏ, biến dạng cơng
trình) địi hỏi độ chính xác 1 mm đến 1 cm trên cự ly tới một vài km. Đối với
những ứng dụng này, độ chính xác có thể đạt được nói trên bị hạn chế bởi sự
thiếu chắc chắn trong sự biến đổi của các tấm vi mạch trong ăng ten GPS và sự
sai lệch về tín hiệu do mơi trường phản xạ nơi đặt ăng ten. Hơn thế nữa, khó


khăn bị tăng lên do khả năng nhìn thấy vệ tinh bị giới hạn vì hiện tượng bóng
tối của tín hiệu trong môi trường công nghiệp tiêu biểu.
Việc theo dõi độ biến dạng toàn bộ (hoạt động kiến tạo của địa tầng) địi
hỏi độ chính xác khoảng 10-7 - 10-8 trên cự ly liên lục địa. Sự khác nhau cơ bản
giữa việc theo dõi biến dạng toàn bộ so với những ứng dụng đã nói trên là ở
chỗ trong trường hợp này cần phải có một mơ hình phức tạp về các quỹ đạo vệ
tinh GPS, các trị thời trễ khi truyền tín hiệu qua tầng khí quyển và các độ lệch
khác.

7.2 Các ứng dụng trong giao thông và thông tin trên mặt đất
Việc phổ biến rộng rãi phép định vị hàng hải bằng GPS trong giao thông
dân dụng hầu như tăng dần dần thay thế các phương pháp truyền thống. Trong
việc xác định các hành trình trên mặt đất, một màn hình tự động thể hiện vị trí
của phương tiện (được xác định bằng GPS) trên một sơ đồ điện tử có thể sẽ
thay thế sự so sánh có tính thủ cơng các vật thể xung quanh phương tiện với
bản đồ truyền thống. Ứng dụng này thuộc loại cực kỳ quan trọng đối với các
phương tiện thi hành luật pháp, cơng tác tìm kiếm hoặc cứu hộ....
Việc theo dõi vị trí và sự chuyển động của các phương tiện có thể đạt
được nếu các phương tiện này được trang bị những máy phát chuyển tiếp tự
động để hỗ trợ máy thu GPS. Vị trí được xác định bằng các thiết bị thu và xử lý
GPS có thể được truyền đến một địa điểm trung tâm được thể hiện trên màn
hình.
7.3 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ trên biển:
Nhờ độ chính xác cao và thời gian cần thiết để đo một vị trí chỉ định
(Fix) ngắn, hệ GPS đặc biệt phù hợp với công việc định vị ven bờ và ngồi
khơi. Đối với cơng tác trắc địa biển, yêu cầu độ chính xác về vị trí mặt phẳng
thường thay đổi trong khoảng từ một vài đềcimét đến một vài chục mét. Để đáp
ứng các yêu cầu này cần phải sử dụng những kỹ thuật quan sát và xử lý số liệu
khác nhau bằng cách sử dụng các phép đo giả cự ly hoặc phép đo phase sóng
mang. Các ứng dụng trên biển bao gồm đo vẽ bản đồ, các chướng ngại dẫn
đường tàu thuyền (đo vẽ bãi cạn, đo vẽ phao nổi) và đo vẽ các cầu tàu và bến
cảng. Các yêu cầu định vị trong thám hiểm địa lý đáy biển (ví dụ đo địa chấn)
cũng như các yêu cầu về định vị hố khoan đều có thể được đáp ứng bằng GPS.
Trong trắc địa biển (địa hình đáy biển, trường trọng lực của trái đất...)
đều có thể dùng GPS làm cơng cụ định vị.
7.4 Các ứng dụng trong giao thông và hải dương học trên biển
Hệ thống địnhvị GPS đã trở thành một công cụ dẫn đường hàng hải trên
biển lý tưởng. Yêu cầu độ chính xác dẫn hướng đi trên biển thay đổi trong
khoảng từ một vài mét (trên bãi biển, bến tàu và dẫn hướng trên sông) đến một

vài trăm mét (dẫn hướng trên đường đi). Thủ tục định vị GPS chính xác sử
dụng cả phép đo giả ngẫu nhiên và phép đo phase sóng mang có thể đưa đến
việc dẫn hướng đi của tàu thuyền trên sông và ven biển không cần đến phao


nổi, cơng tác tìm kiếm và cứu hộ ngồi khơi xa cũng sẽ có hiệu quả hơn nhờ
được nâng cao độ chính xác việc dẫn hướng đường đi.
Các nhu cầu định vị đối với công tác dã ngoại trong vật lý đại dương
cũng có thể được đáp ứng nhờ hệ GPS. Phép đo phase của sóng mang bổ túc
cho ta tốc độ tàu thuyền chính xác, là số liệu cần thiết trong nghiên cứu các
dòng chảy của đại dương.
7.5 Các ứng dụng trong trắc địa và bản đồ hàng không
Trong ứng dụng đo đạc và đo vẽ bản đồ từ ảnh máy bay, hệ định vị GPS
cung cấp kỹ thuật dẫn đường bay, xác định tâm chính ảnh.
Trong đo vẽ ảnh hàng khơng, u cầu độ chính xác dẫn đường bay
khoảng một vài chục mét - có thể thực hiện được một cách dễ dàng nhờ hệ
GPS. Phép xử lý sau với độ chính xác cao bằng GPS có thể thay thế kỹ thuật
tam giác ảnh không gian và do đó có thể đóng vai trị của các điểm khống chế
mặt đất một cách tuyệt hảo. Yêu cầu về độ chính xác của phép định vị trong
lĩnh vực ứng dụng này thay đổi trong khoảng từ 0.5 m đến 26 m tuỳ theo từng
loại tỉ lệ bản đồ khác nhau.
Phép lập mặt cắt địa hình bằng laze hàng khơng có thể được dùng để đo
vẽ trực tiếp bản đồ số của địa hình (mơ hình số mặt đất) nếu vị trí của bộ cảm
biến (laze) được biết với độ chính xác khoảng 0.5 - 1 m về độ cao và một vài
mét về mặt phẳng. Người ta trông đợi hệ GPS sẽ cho độ chính xác định vị tốt
hơn trong phép xử lý sau khi đo.
Phép đo trọng lực hàng khơng cũng địi hỏi một kiểu định vị tương tự
như vậy. Trong lĩnh vực ứng dụng này, các số đo GPS cho phép xác định thêm
tốc độ của bộ cảm biến cần thiết cho phép quy EOTVOS dữ liệu trọng lực.
Phép đo sâu laze hàng không và phép xạ ảnh rada địi hỏi độ chính xác

định vị bộ cảm biến khơng cao có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng các số
đo GPS.
7.6 Ứng dụng trong giao thông hàng không
Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, hầu hết các hãng hàng không quốc
tế đã sử dụng hệ GPS làm hệ thống dẫn đường bay. ICAO - Tổ chức hàng
không dân dụng quốc tế đã quy định sử dụng hệ thống GPS trong dẫn đường và
cất, hạ cánh. Ở Việt nam từ 1998 hãng hàng khơng quốc gia sẽ chính thức sử
dụng GPS.
Trong các ứng dụng hàng không khác (lâm nghiệp và gieo trồng ngũ
cốc...), những lĩnh vực khơng địi hỏi tính an tồn của hàng khơng mà chỉ cần
triển khai việc vận chuyển hàng hóa, kỹ thuật GPS có thể đảm bảo dễ dàng
những yêu cầu chính xác về dẫn đường bay.
7.7 Các ứng dụng trong thám hiểm không gian
Ứng dụng chủ yếu của hệ GPS trong thám hiểm không gian bao gồm
việc định vị và định hướng bay của các phương tiện khơng gian khác có mang
theo những máy thu phát địa lý hoặc trắc địa. Thông thường các vệ tinh này có


quỹ đạo thấp, vì vậy nguyên lý hình học của các phép đo cũng tươgn tự như đã
ứng dụng cho mặt đất. Những ví dụ điển hình trong lĩnh vực ứng dụng này là
phép đo viễn thám bằng vệ tinh và phép đo độ cao bằng rada. Các vị trí tọa độ
của vệ tinh nhận được từ các số đo GPS có thể được dùng để cải tiến hoặc đơn
giản hóa những tính tốn quỹ đạo của các phương tiện khơng gian này, thậm
chí thay thế phép định vị liên tục bằng phép định vị rời rạc trong định vị quỹ
đạo bay.
7.8 Các ứng dụng trong việc nghỉ ngơi giải trí.
Người ta trơng đợi giá cả của các máy thu GPS sẽ liên tục giảm. Hiện
nay ở mức giá một vài trăm dola những người sử dụng không chuyên cũng đã
có thể mua được máy thu GPS đơn giản, có kích thước, trọng lượng rất nhỏ
(như đồng hồ đeo tay). Trong trường hợp này, các hoạt động nghỉ ngơi và điều

dưỡng sẽ cung cấp một thị trường rộng lớn cho những máy thu đeo tay, xách
tay, giá rẻ dễ sử dụng.
7.9 Các ứng dụng trong quân đội
Hệ thống định vị toàn cầu được thiết kế chủ yếu để cho quân đội định vị
điểm theo thời gian thực. Các ứng dụng cho quân đội bao gồm dẫn hướng hàng
không, hàng hải và trên bộ. Hệ định vị GPS được coi là hệ độc lập và là một bộ
phận của những hệ thống dẫn đường tích hợp. Ngồi ra, các vệ tinh GPS còn
mang theo các bộ thu phát để khám phá và hiển thị các vụ nổ hạt nhân.
8. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ GPS ĐO TĨNH TRONG GIAI ĐOẠN
1990 ĐẾN NAY

Từ năm 1990 cho tới nay công nghệ GPS đã được cải tiến khá nhiều để
đạt được các thành tựu mới về độ chính xác và về mở rộng phạm vi kỹ thuật.
Nói chung các thay đổi chủ yếu về kỹ thuật GPS là:
• Số lượng vệ tinh đã nâng từ 18 lên 32 tạo nên số lượng trị đo nhiều
hơn trên mỗi điểm đo;
• Chất lượng tín hiệu vệ tinh tốt hơn nhiều lần, không gây các gián đoạn
trong thu tín hiệu như trước đây;
• Máy thu được cải tiến về đồng hồ để nâng cao độ chính xác về thời
gian;
• Antenna được cải tiến để có độ nhậy cao hơn và khắc phục các sai số
nhiễu tín hiệu do môi trường, đặc biệt là các nhiễu do tín hiệu phản xạ từ
các vật đặt quanh antenna;
• Phần mềm xử lý các base line được cải tiến để nâng cao việc hạn chế
sai số do quỹ đạo vệ tinh, sai số của tầng bình lưu.
Các thành quả chủ yếu của công nghệ GPS được nâng cao từ năm 1990
cho đến nay như sau:


9. Nâng cao độ chính xác đo tĩnh thơng qua các biện pháp hạn chế sai số đo:

Trong công nghệ GPS có một số nguồn sai số chủ yếu và các biện pháp
khắc phục đã được áp dụng như sau:
Sai số do quỹ đạo vệ tinh: Đây là nguồn sai số khá lớn nhưng tác động
chủ yếu vào toạ độ tuyệt đối xử lý theo phương pháp PseudoRange. Vì vậy,
thơng thường toạ độ tuyệt đối trong hệ WGS-84 quốc tế chỉ có thể xác định
được với độ chính xác khoảng từ 10 m tới100 m. Toạ độ này có vai trị rất quan
trọng trong việc tính tốn gia số toạ độ X, Y, Z của các base line. Nếu độ
chính xác toạ độ tuyệt đối của một đầu base line tăng được từ 100m tới 2m thì
độ chính xác của X, Y, Z có thể tăng thêm được 1 dm. Chính vì vậy người
ta cần có toạ độ gần đúng trong hệ WGS-84 tới cỡ 2 m để có được các base line
có độ chính xác cao. Để khắc phục các sai số này người ta đã sử dụng các biện
pháp sau:
Có được lịch vệ tinh chính xác tại thời điểm đo: Lịch vệ tinh chính xác
có thể có được nếu yêu cầu NASA hoặc IGS cung cấp, nhưng cách này khơng
tiện dùng vì phải chờ đợi trong thời gian không ngắn.
Quan trắc liên tục trong 24 giờ: tức là 2 vịng quỹ đạo của 32 vệ tính có
thể hiệu chỉnh được lịch vệ tinh thông qua các phần mềm xử lý PseudoRange
mới, độ chính xác đạt được tới 1 m. Độ chính xác này đã được thử nghiệm tại
Việt nam và đã so sánh kết quả đo toạ độ tuyệt đối với kết quả lan truyền toạ độ
theo các base line từ 1 điểm gốc toạ độ tuyệt đối cũng như với toạ độ đo nối với
lưới IGS quốc tế.
Sử dụng hệ thống DGPS toàn cầu do OMNI STAR cung cấp theo công
nghệ RTCM với các số hiệu chỉnh toạ độ được cung cấp từ hệ thống các trạm
định vị cố định tồn cầu. Cơng nghệ này cũng đã được thử nghiệm tại Việt nam
và cho độ chính xác đạt tới 1 m như lý thuyết đã dự báo.
Sai số do mơi trường truyền sóng: Mơi trường chuyền sóng gây nên 3
loại sai số chủ yếu trong quá trình sóng mang chuyển từ vệ tinh tới máy thu:
Sai số do tầng Ion gây ra: đây là sai số do hiện tượng khúc xạ tia sóng đi
từ khoảng khơng vũ trụ vào tầng đầu tiên của khí quyển. Sai số này không gây
ảnh hưởng lớn tới kết quả đo trong khoảng cách ngắn mà chỉ có ý nghĩa trên

khoảng cách dài. Để khắc phục người ta đã sử dụng tần số thứ hai khi đo đạc
trên khoảng cách dài.
Sai số do tầng đối lưu gây ra: đây là hiện tượng khúc xạ tia sóng đi trong
lớp khí quyển gần mặt đất. Sai số này có tác động chủ yếu cho khoảng cách
ngắn mà không đáng kể trên khoảng cách dài. Trước đây người ta yêu cầu đo
nhiệt độ, áp suất, độ ẩm để tính số hiệu chỉnh. Đến nay các phần mềm đã sử
dụng số hiệu chỉnh theo mơ hình tầng đối lưu tạo độ chính xác cao hơn sử dụng
các số hiệu chỉnh do nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.
Sai số nhiễu tín hiệu do mơi trường: sai số này có 2 nguồn gây ra: một là
do các nguồn phát sóng ngắn quanh máy thu gây ra như các đài truyền hình và
hai là do sóng GPS phản xạ từ các vật thể đặt quanh antenna. Để khắc phục sai


số này người ta đã cải tiến các antenna có độ nhậy cao hơn, có khả năng chống
nhiễu và đặt thêm các bộ lọc trong phần mềm (cả firmware và software).
Sai số do đồng hồ máy thu: Độ chính xác đồng hồ và đồng bộ thời gian
giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu có ý nghĩa rất quan trọng trong việc
nâng cao độ chính xác kết quả đo GPS. Tất nhiên cải tiến đồng hồ máy thu là
một việc có thể làm ngay được, ví dụ như lắp đặt các đồng hồ nguyên tử như
trên vệ tinh, nhưng như vậy không ai chấp nhận được giá thành máy thu. Người
ta chỉ có thể cải tiến các đồng hồ thạch anh trong máy thu để có khả năng ổn
định hơn trong giai đoạn đã đồng bộ với đồng hồ vệ tinh.
Đến nay các nguồn sai số nói trên đã được khắc phục đáng kể, tạo được
các base line có độ chính xác cao hơn nhiều so với giai đoạn 1990. Các trị đo
GPS cạnh dài đã nâng được độ chính xác từ cỡ 1/20.000.000 vào giai đoạn
1990 đến 1/200.000.000 như hiện nay đạt được.
9 Nâng cao độ chính xác tính tốn nhờ các thuật tốn mới:
Phương pháp xử lý số liệu góp phần rất quan trọng trong việc loại trừ các
sai số đo. Người ta tập trung vào 2 giải pháp sau đây:
Trong xử lý số liệu GPS người ta quan tâm tới hiệu các trị đo có thể có

được để loại trừ sai số, trong đó có hiệu bậc nhất là hiệu trị đo giữa các thời
điểm thu tín hiệu của 1 vệ tinh, hiệu bậc hai là hiệu trị đo giữa các vệ tinh và
hiệu bậc 3 là hiệu trị đo giữa các điểm mặt đất. Sử dụng hiệu bậc mấy để có
một lời giải base line chứa sai số đo ít nhất là một quá trình đạt nhiều tiến bộ
theo thời gian. Hãng GPS hàng đầu TRIMBLE đã đưa ra phần mềm
TRIMVEC+ cho xử lý các base line trong giai đoạn 1990 - 1994, đến 1995 họ
đã thay thế bằng phần mềm Wave Processor có hiệu quả cao hơn nhiều.
Vấn đề lọc nhiễu là một kỹ thuật phức tạp trong xử lý số liệu vệ tinh,
theo thời gian người ta đã đưa ra các bộ lọc hoàn chỉnh hơn để sao cho trong trị
đo chỉ còn nhiễu ngẫu nhiên. Trong phần mềm mới GPSurvey của hãng
TRIMBLE đã đưa được vào nhiều bộ lọc mới tạo hiệu quả đáng kể trong xử lý
các base line.
10. Nâng cao khả năng công nghệ của GPS:
Trong việc thành lập các lưới trắc địa chúng ta chỉ quan tâm tới phương
pháp đo tĩnh. Như trên giới thiệu, phương pháp này đã cho chúng ta một độ
chính xác GPS hiện nay cao hơn tới 10 lần cho đo tương đối và 100 lần cho đo
tuyệt đối so với độ chính xác đạt được trong khoảng 5 năm trước đây. Ngồi ra
cơng nghệ GPS đã được phát triển cho nhiều loại hình đo đạc khác nữa để áp
dụng cho nhiêù mục tiêu khác nhau như:
• RTK cho đo động với thời gian thực giữa trạm tĩnh và trạm động đạt
được độ chính xác tới 1 cm cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ lớn;
• RTCM cho đo động với số hiệu chỉnh toạ độ được gửi từ trạm tĩnh
tới trạm động đạt được độ chính xác cỡ 1 m cho mục tiêu lập bản đồ tỷ lệ
trung bình;


• MSK cho đo động tương tự như RTK cho khoảng cách dài (tới 5000
km) đạt độ chính xác cỡ 1 m;
• Một số phương pháp Postprocessing Kinematic cho độ chính xác cỡ
1 dm .

BÀI 3. XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO GPS
1. Quy trình xử lý số liệu lưới GPS

1.1. Xử lý vectơ cạnh (TÍNH BASELINES)
1.1.1 Ngun lý tính cạnh (tính baselines)
Tín hiệu vệ tinh GPS máy thu nhận được bao gồm: số hiệu chỉnh đồng hồ
vệ tinh, giờ quốc tế UTC, mơ hình tầng điện ly, lịch và tình trạng hoạt động của
các vệ tinh để xác định vị trí của vệ tinh v.v…
Bằng các dữ liệu trên và thời gian đo được giữa thời điểm vệ tinh phát tín
hiệu và thời điểm máy thu nhận được tín hiệu ta có thể tính được khoảng cách từ
máy thu (tâm ăng-ten) đến vệ tinh khoảng cách này được gọi là giả cự ly
(pseudo-range). Mô hình trị đo GPS được biểu diễn dưới dạng[4]:
p =  + c(dt-dT) + dion + dtrop

(8)

Trong đó: - p là cự ly quan trắc,
-  được xác định thông qua hàm của toạ độ trạm đo và toạ dộ
vệ tinh,
- c(dt-dT) là độ lệch đồng hồ vệ tinh và máy thu,
- dion + dtrop là các số hiệu chỉnh tầng điện ly và đối lưu.
Nguyên lý của việc tính cạnh đo GPS trong lưới trắc địa là giải phương
trình vec-tơ:
Rij = Rj - Ri

(9)

Trong đó Rij là trị tựa quan trắc của hiệu toạ độ có hiệp phương sai là

CR.
Theo nguyên lý trên việc tính cạnh (tính baselines) được thực hiên theo
các bước sau đây:
Bước thứ nhất là xác định tọa độ tuyệt đối của các điểm đầu cạnh. Để làm
việc này, chúng ta sử dụng phương trình đo (1) và giải ra các tọa độ x p, yp, zp,
với độ chính xác cỡ 10 m.
Bước tiếp theo là xác định sai số tọa độ giữa các điểm mặt đất. Trong
bước này chúng ta có thể sử dụng cơng thức (6) để thiết lập hệ thống phương
trình đo dưới dạng:
V= a1x1 + a2x2 + L
Trong đó:
x1 - Vector tọa độ các trạm mặt đất.
x2 - Vector tham số mô tả các mơ hình ảnh hưởng hệ thống.
P(t), s(t) và p, A1, A2 - Các ma trận hệ số.
V - Vector số hiệu chỉnh.

(10)


L - Vector số hạng tự do.
Để giải hệ thống (8) chúng ta sử dụng phương pháp sai phân. Nội dung
của phương pháp là tìm ma trận D trực giao với ma trận A2 và nhân 2 vế của (8)
với D. Chúng ta có:
DV = DA1x1 - DL

(11)

hay V = A1x1 - L

(12)

Trong đó V = DV, A1 = DA1, L=DL nếu L trong (8) là các trị đo có cùng
độ chính xác thì hệ (9) sẽ có phương trình chuẩn:
(A1TDT (DDT)-1DA1)X1 = (ATDT(DDT)-1D)L

(13)

Ma trận D được gọi là ma trận sai phân và yêu cầu phải có dạng đầy (để
ma trận DDT có dạng ngược). Vấn đề đặt ra là phải xác định được ma trận sai
phân D. Việc này sẽ được giải quyết nếu chúng ta lưu ý tới các trị đo từ nhiều
điểm mặt đất tới vệ tinh ở nhiều thời điểm khác nhau.
Theo hướng này chúng ta phân ra 3 loại toán tử sai phân:
1. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 vệ tinh và một trạm mặt đất, toán tử này
loại trừ ảnh hưởng hệ thống của trạm đo p(t).
2. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 trạm mặt đất và 1 vệ tinh, toán tử này loại
trừ ảnh hưởng hệ thống của vệ tinh s(t).
3. Toán tử  - hiệu trị đo giữa 2 thời điểm liền nhau giữa 1 vệ tinh và 1
trạm mặt đất, toán tử này loại trừ ảnh hưởng hệ thống hằng số sp.
Các toán tử sai phân này gọi là sai phân bậc 1 (single difference). Tích
của các loại tốn tử sai phân bậc 1 chúng ta có tốn tử sai phân bậc 2 (double
difference).
1.  và  loại từ ảnh hưởng của p(t) và s(t).
2.  và  loại từ ảnh hưởng của p(t) và s(t).
3.  và  loại trừ ảnh hưởng của s(t) s(t) tích hỗn hợp của 3 loại tốn
tử sai phân bậc 1 ta có tốn tử sai phân bậc 3 (triple difference). Các tốn tử này
có dạng , , , , ,  đều loại trừ cả 3 ảnh hưởng hệ thống
p(t), s(t) và .
1.1.2 Phần mềm tính khái lược (tính cạnh)
Theo ngun lý trình bày trên đây, có nhiều phần mềm được xây dựng để
xử lý số liệu đo GPS. Hầu hết các phần mềm được cung cấp kèm theo máy thu

GPS. Trong khuôn khổ đề tài này chỉ nghiên cứu thử nghiệm các phần mềm xử
lý số liệu đo GPS để thành lập lưới trắc địa.
Sự khác nhau của các hệ thống phần mềm tính cạnh chỉ thể hiện ở chỗ
chọn loại toán tử sai phân nào cho phù hợp. Ví dụ chương trình của Remondi
(1984) chọn loại tốn tử sai phân bậc 1: , chương trình của Vanicek (1985)