Đồ án ỨNG DỤNG GPS cầm TAY TRONG VIỆC CHỈNH lý

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU 1
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 4
1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS 4
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS 5
1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment) 6
1.1.3. Đoạn điều khiển (Control Segment) 7
1.1.4. Đoạn sử dụng (User Segment) 9
1.2. Các phương pháp đo GPS 9
1.2.1. Đo tuyệt đối 10
1.2.2. Đo tương đối 14
1.3. Một số công nghệ đo hiện nay 21
1.3.1. Công nghệ RTK 21
1.3.2. bổ xung thêm bản tin số 3 và 32 dành cho giả khoảng cách GPS
và GLONASS. 22
1.3.3. Công nghệ VRS 23
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác định vị GPS 25
1.4.1. Các nhiễu cố ý 26
1.4.2. Về thời gian đo 26
1.4.3. Các kỹ thuật đo 26
1.4.4. Phân loại sai số và các biện pháp khắc phục 27
1.5. Giới thiệu một số máy GPS cầm tay và chức năng của nó 32
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ GIS 38
2.1. Giới thiệu chung về GIS 38
2.2. Các thành phần của hệ thống thông tin địa lý 39
2.3. Ứng dụng GIS trong Môi trường 42
2.4. Ứng dụng GIS trong Khí tượng thuỷ văn 43
2.5. Ứng dụng GIS trong Nông nghiệp, quản lý đất đai 43

2.6. Ứng dụng GIS trong Dịch vụ tài chính 43
2.7. Ứng dụng GIS trong Y tế 43
2.8. Ứng dụng GIS cho Chính quyền địa phương 43
2.9. Ứng dụng GIS trong thị trường Bán lẻ 44
2.10. Ứng dụng GIS trong Giao thông 44
2.11. Ứng dụng GIS cho Các dịch vụ điện, nước, gas, điện thoại 44
2.11.1. Cơ sở dữ liệu địa lý 45
2.11.2. Dữ liệu vector 45
2.12. Dữ liệu raster 51
2.12.1. Khái niệm dữ liệu raster 51
2.12.2. Đặc điểm 53
2.12.3. Các loại cấu trúc Raster 54
2.12.4. Ưu nhước điểm của cấu trúc raster 55
Chương 3
ĐO ĐẠC CHỈNH LÝ VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỊA LÝ
TUYẾNN ĐƯỜNG ĐẠI LỘTHĂNG LONG 59
3.1. Quy định chung. 59
3.2. Quy trình công nghệ 59
3.2.1. Chọn điểm đặt Trạm BASE 60
3.2.2. Đo đạc, chỉnh lý và thu thập thông tin đối với trạm ROVE 60
3.2.3. Tính toán nội nghiệp 64
3.3. Thực hành đo chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường Đại
lộ Thăng Long 68
3.3.1. Thực hành đo chỉnh lý 68
3.3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường Đại lộ Thăng Long. 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
MỞ ĐẦU
Dưới tác động thường xuyên liên tục của các hoạt động tự nhiên và xã
hội, các đối tượng được thể hiện trên bản đồ cũng thường xuyên bị thay đổi. Vì

vậy việc cập nhật, chỉnh lý bản đồ, thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng là
cần thiết và phải làm thường xuyên vì nó mang lại tính thời sự của tờ bản đồ. Từ
trước đến nay người ta thường cập nhật chỉnh lý bản đồ theo một số phương
pháp sau:
Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng máy toàn đạc điện tử:
Dùng máy toàn đạc điện tử tiến hành đo vẽ bổ sung các đối tượng mới xuất hiện
ngoài thực địa mà trên bản đồ không có hoặc các đối tượng đã có trên bản đồ
nhưng ngoài thực địa đã bị thay đổi.
Phương pháp này đòi hỏi nhiều nhân lực, tốn nhiều kinh phí, thường mất
rất nhiều thời gian do phải làm các công tác ngoại nghiệp nhiều như: thành lập
lưới khống chế trắc địa, lưới khống chế đo vẽ và đo vẽ chi tiết. Công tác thu
thập thông tin thuộc tính của các đối tượng hầu như phải làm thủ công như: vẽ
sơ đồ, ghi chú các thuộc tính của đối tượng vào sổ đo, sau đó phải thêm công
đoạn nhập các thông tin thuộc tính đó vào cơ sở dữ liệu.
Phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ bằng công nghệ ảnh hàng không:
Từ những tư liệu địa hình đã có kết hợp với tư liệu ảnh hàng không, ảnh
viễn thám người ta tiến hành giải đoán các đối tượng cần chỉnh lý trên trạm ảnh
số và điều tra đối soát ngoài thực địa.
Phương pháp này vừa phải kết hợp giữa công tác giải đoán ảnh nội nghiệp
với công tác điều tra ngoại nghiệp, trong đó việc đối soát ngoại nghiệp chiếm
phần lớn thời gian. Hạn chế lớn nhất của phương pháp cập nhật, chỉnh lý bản đồ
bằng công nghệ ảnh hàng không đó là:
+ Tư liệu ảnh hàng không sử dụng cho chỉnh lý bản đồ đòi hỏi phải mới.
Việc tiếp cận nguồn tư liệu ảnh hiện nay còn hạn chế không phải lúc nào cũng
đáp ứng được yêu cầu vì phụ thuộc vào nhà cung cấp.
+ Quy trình chỉnh lý phức tạp do phải thực hiện hai công đoạn là: đo vẽ,
giải đoán nội nghiệp và đi thực địa để đối soát ngoại nghiệp.
1
+ Việc thu thập thông tin địa lý cho các đối tượng vẫn phải làm thủ công,
không cho phép tự động từ khâu đầu đến khâu cuối do vậy dễ nhầm lẫn không

thống nhất.
Chính vì những lý do trên việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ định vị
vệ tinh kết hợp với phần mềm chuyên dụng được cài đặt sẵn trên máy thu GPS
để cập nhật, chỉnh lý bản đồ là một vấn đề cần thiết và cấp bách. Phương pháp
này có những ưu điểm sau:
+ Không đòi hỏi nhiều nhân lực, một cá nhân cũng có thể tham gia cập
nhật, chỉnh lý bản đồ và thu thập thông tin một cách nhanh chóng, chính xác.
+ Quy trình đo đạc, chỉnh lý và cập nhật thông tin được tiến hành một
cách tự động hoàn toàn theo một chu trình khép kín. Với bộ công cụ cho phép
thu thập thông tin một cách nhanh chóng, hiệu quả và chính xác, dữ liệu được
cập nhật có thể xuất sang định dạng *.dgn để phục vụ trực tiếp trong quá trình
biên tập bản đồ hoặc định dạng *.mdb, *.shp để phục vụ cho việc thu thập cơ sở
dữ liệu thông tin địa lý. Những dữ liệu xuất ra có thể kết nối với các phần mềm
quản lý cơ sở dữ liệu như Mapinfo, Geomedia, Geoconcept, ArcGis…
+ Làm giảm đáng kể công tác đo đạc ngoại nghiệp so với phương pháp sử
dụng máy toàn đạc điện tử.
+ Không phụ thuộc vào nguồn tư liệu ảnh như ở phương pháp chỉnh lý
bằng ảnh hàng không.
+ Đáp ứng yêu cầu cấp thiết, nhanh chóng, phục vụ đắc lực, kịp thời cho
các hoạt động của quân đội.
+ Đây là quy trình khép kín nhưng lại có tính mở: đó là sự lựa chọn trang
thiết bị máy thu GPS, các phần mềm ứng dụng đa dạng đáp ứng với yêu cầu
ngày càng cao của công tác đo vẽ thành lập bản đồ và xây dựng cơ sở dữ liệu
thông tin địa lý.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế hằng năm của các Ban Bản đồ trong Quân
đội nhân dân Lào cần đo đạc, cập nhật và chỉnh lý một khối lượng lớn các loại
bản đồ địa hình với nhiều tỷ lệ khác nhau. Chính vì những lý do đó mà tôi đã
2
chọn đề tài: “Ứng dụng GPS cầm tay trong việc chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ
liệu địa lý tuyến đường đại lộ Thăng Long” với mong muốn xây dựng một quy

trình đo đạc chỉnh lý thu thập thông tin địa lý khoa học hơn, phù hợp với điều
kiện trang thiết bị hiện có trong Quân đội nhân dân Lào để giúp cho ngành Bản
đồ QĐND Lào tiết kiệm một lượnng đáng kể thời gian và kinh phí trong công
tác đo đạc và thu thập thông tin địa lý.
* Nội dung đồ án bao gồm:
Chương I : Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS
Chương II: Tổng quan về GIS.
Chương III: Đo đạc chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý tuyến đường
đại lộ Thăng Long .
Kết luận
Hà nội, ngày… tháng năm 2013
Học viên thực hiện
3
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS
1.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống GPS
GPS là từ viết tắt của Global Positioning System, là hệ thống định vị toàn
cầu do Bộ Quốc phòng Hoa kỳ triển khai và đưa vào hoạt động từ những năm 80
của thế kỷ 20, nhằm cung cấp thong tin phục vụ mục tiêu định vị và dẫn đường
cho quân sự và dân sự. Tín hiệu định vị và dẫn đường bằng vệ tinh GPS được
phát lien tục 24 giờ một ngày, trong mọi điều kiện thời tiết, phủ trùm trên toàn
trái đất.
Hệ thống GPS được xây dựng trên cơ sở một hệ thống bao gồm 24 vệ tinh
NAVSTAR có độ cao bay 20200 km. Các vệ tinh này được coi là các điểm tham
chiếu trong không gian để từ đó các máy thu tín hiệu vệ tinh GPS đặt dưới bề
mặt trái đất xác định được vị trí hiện thời của chúng. Dưới đây là mô hình của
hệ thống định vị vệ tinh GPS.


Hình 1.1: Sơ đồ quỹ đạo bay của các vệ tinh GPS

Sở dĩ có thể xem các vệ tinh như các điểm tham chiếu bởi vì quỹ đạo bay
của chúng đã được xác định và giám sát liên tục một cách rất chính xác thông
qua các trạm điều khiển mặt đất. Bằng cách đo khoảng thời gian di chuyển của
4
các tín hiệu được truyền đi từ các vệ tinh, máy thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS
đặt trên bề mặt trái đất có thể xác định được khoảng cách từ chúng tới mỗi vệ
tinh. Với khoảng cách đo được từn 4 vệ tinh trở lên kết hợp với một số thuật
toán được cài đặt sẵn trong bộ vi xử lý của máy thu có thể tính được toạ độ (vĩ
độ, kinh độ, độ cao), hướng và tốc độ di chuyển . Trong thực tế, các loại máy
thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS có cấu hình tốt có thể xác định được vị trí của
chúng tại bất kỳ nơi nào trên trái đất với độ chính xác cỡ centimet, khoảng thời
gian để thực hiện việc xác định vị trí này chỉ là một vài giây. Thêm vào đó là
khả năng xử lý tín hiệu tiên tiến do đó chỉ cần các ăng ten rất nhỏ đã có thể thu
được các tín hiệu phát đi từ vệ tinh kể cả các tín hiệu rất yếu, chính vì vậy mà
các máy thu tín hiệu định vị vệ tinh GPS ngày càng có kích thước gọn nhỏ
nhưng các tính năng hoạt động lại cao cấp hơn.
Một đặc điểm trội hơn tất cả các đặc điểm khác của hệ thống GPS, đó là
việc tất cả mọi người đều được quyền khai thác miễn phí tín hiệu GPS mà không
cần khai báo hoặc đăng ký quyền sử dụng với nhà sản xuất và số lượng người
dùng không hạn chế. Với tất cả các đặc điểm trên, chúng ta cũng dễ dàng nhận
thấy tại sao công nghệ GPS lại phát triển mạnh và nhanh chóng trở thành phổ
cập trên toàn cầu trong định vị và dẫn đường. Ngày nay GPS thực sự là một hệ
thống với đầy đủ các tính năng mạnh mẽ, phục vụ cho tất cả mọi người sử dụng
tại bất kỳ nơi nào trên thế giới.
Cùng với hệ thống định vị toàn cầu GPS của Mỹ, Nga có hệ thống định
vị toàn cầu GLONASS, Các nước Châu Âu (EU) có hệ thống định vị toàn cầu
GALILEO, Trung Quốc đang triển khai xây dựng hệ thống định vị toàn cầu Bắc
Đẩu (COMPASS).
1.1.1. Cấu trúc của hệ thống GPS
Hệ thống GPS là một hệ thống kỹ thuật rất phức tạp, song xét theo sự

phân bố không gian người ta chia hệ thống GPS thành 3 phần, bao gồm:
• Đoạn không gian (Space segment)
• Đoạn điều khiển (Control segment)
• Đoạn sử dụng (User segment)
5
Hình 1.2: Các thành phần cấu tạo Hệ thống định vị toàn cầu GPS.
1.1.2. Đoạn không gian (Space Segment)
Đoạn không gian bao gồm 24 vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên các
quỹ đạo xác định trên Trái Đất. Các quỹ đạo này đều nằm trên một trong 6 mặt
phẳng quỹ đạo cách đều nhau và có góc nghiêng 55
0
so với mặt phẳng xích đạo
của trái đất và cách nhau 60
0
, quỹ đạo của vệ tinh gần như tròn. Vệ tinh bay ở
độ cao 20200 km so với mặt đất, chu kỳ chuyển động của vệ tinh là 718 phút,
tức là khoảng gần 12 giờ. Với cách bố trí vệ tinh trong không gian như vậy đảm
bảo vào bất kỳ một thời điểm nào tại một vị trí bất kỳ trên trái đất đều thu được
tín hiệu của ít nhất 4 vệ tinh khác nhau.
Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các
nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh
sáng Mặt Trời và gắn tên lửa nhỏ ở mỗi quả vệ tinh để giữ chúng bay đúng
quỹ đạo đã định.
Mỗi vệ tinh được trang bị máy phát tần số chuẩn nguyên tử chính xác cao
cỡ 10
-12
. Máy phát này tạo ra các tín hiệu tần số cơ sở 10,23Mhz, và từ đây tạo
6
ra các sóng tải tần số L1=1575,42Mhz và L2=1227,60Mhz. Người ta sử dụng 2
tần số song tải để làm giảm ảnh hưởng của tầng điện ly.

Hình 1.3: Vệ tinh GPS.
1.1.3. Đoạn điều khiển (Control Segment)
Đoạn điều khiển được đặt trên mặt đất, hệ thống này gồm bốn trạm quan
sát, một trạm điều khiển trung tâm đặt tại Colorado Springs (Mỹ) và bốn trạm
giám sát, truyền tin đặt tại Hawaii (Thái Bình Dương), Assension Islands (Đại
Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương).Các
trạm này tạo thành một vành đai bao quanh trái đất để điều khiển, theo dõi mọi
hoạt động và thu thập thông tin của tất cả các vệ tinh trong hệ thống. Tất cả các
số liệu thu nhận được ở các trạm điều được chuyển về trạm trung tâm. Trạm
trung tâm xử lý các số liệu được chuyển về cùng với số liệu của chính nó. Kết
quả xử lý cho ra lịch thiên văn (Ephemeris) chính xác hóa của vệ tinh và số
hiệu chỉnh cho các đồng hồ trên vệ tinh. Từ trung tâm, các số liệu này lại được
truyền trở lại các trạm theo dõi rồi truyền tiếp cho các vệ tinh cùng các lệnh
điều khiển khác.
7
Hình 1.4: Các trạm quan sát đoạn điều khiển thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ.
Ngoài các trạm quan sát thuộc hệ thống quan sát của Bộ Quốc phòng Mỹ,
hệ thống GPS còn sử dụng một số trạm quan sát khác thuộc mạng lưới thường
xuyên của Cơ quan Bản đồ và ảnh quốc gia NIMA.(Nay là NGA).
Hình 1.5: Các trạm quan sát trong đoạn điều khiển GPS thuộc NGA
8
1.1.4. Đoạn sử dụng (User Segment)
Đoạn sử dụng bao gồm tất cả các máy móc, thiết bị thu nhận thông tin từ
vệ tinh và kể cả các phần mềm tính toán, xử lý để khai thác và sử dụng cho các
mục đích khác nhau của người dung. Máy thu GPS là một phần cứng quan trọng
trong đoạn sử dụng. Nhờ các tiến bộ trong lĩnh vực điện tử, viễn thong và kỹ
thuật thong tin tín hiệu số mà các máy thu GPS ngày càng hoàn thiện, chính xác
và hiệu quả.
1.2. Các phương pháp đo GPS
Có rất nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng trong việc đo đạc

sử dụng công nghệ GPS. Mỗi phương pháp thu nhận số liệu khác nhau rất
nhiều về độ chính xác, thời gian đo, hiệu suất công việc nói chung như:
Phương pháp đo GPS tuyệt đối, đo GPS tương đối, đo vi phân (DGPS). Trong
những phương pháp đo cơ bản này lại gồm có nhiều kiểu cách đo khác nhau:
9
Bảng 1.1: Các phương pháp đo GPS.
Phương
pháp đo
Lợi ích Yêu cầu
Đo GPS tuyệt
đối (Absolute)
Chỉ cần một máy thu.
Độ chính xác tương đương từ một
đến vài mét.
Quan sát đồng thời 4 vệ là yêu
cầu tối thiếu để xác định tọa độ
không gian tuyệt đối của điểm
quan sát
Đo GPS tương
đối (Relative)
Cho kết quả cao và rất cao.
Độ chính xác khoảng cm, thậm
chí có thể là mm.
Yêu cầu ít nhất cần có 2 máy
thutrở lên.
Phải quan trắc đồng thời.
Đo tĩnh
(Static)
Độ chính xác cao nhất (nhỏ hơn
centimet): Dùng cho đo khống

chế.
Không đòi hỏi phải quan sát và
thu số liệu liên tục từ 4 vệ tinh.
Thời gian đo khoảng 1 giờ cho
một cạnh đo. Thời gian sẽ thay đổi
phụ thuộc vào chiều dài cạnh đo.
Buộc phải tính toán và thiết kế
chọn giờ trước khi tiến hành đo.
Đo tĩnh nhanh
(FastStatic)
Độ chính xác trung bình: Nằm
trong khoảng 1cm ± 2ppm.
Mỗi điểm đo đòi hỏi từ 5 đến 10
phút.
Đòi hỏi máy thu phải có khả năng
đo tĩnh nhanh.
Chỉ đòi hỏi có 4 vệ tinh hoặc
nhiều hơn, không đòi hỏi phải
quan sát và thu số liệu liên tục từ 4
vệ tinh.
Đo động
(Kinematic)
Phương pháp xử lý sau khi đo rất
nhanh. Độ chính xác trung bình:
Nằm trong khoảng 1cm ± 2ppm.
Mỗi điểm đo cần ít nhất 1 hay 2
lần ghi số liệu (epochs).
Đòi hỏi phải quan sát và thu số
liệu liên tục từ ít nhất là 4 vệ tinh
trong suốt thời gian đo; đòi hỏi

máy thu phải có khả năng khởi đo
(Initialization)
Đo thời gian
thực
(Real-time
Surveying)
Phương pháp đo nhanh nhất; kết
quả phép đo thu được ngay trên
thực địa. Độ chính xác nằm trong
khoảng 1cm ± 2ppm.
Mỗi điểm đo cần ít nhất 1 hay 2
lần ghi số liệu (epochs).
Đòi hỏi máy thu phải hội đủ các
điều kiện sau:
Khả năng khởi đo, và khởi đo lại
nếu mất tín hiệu.
Cần ít nhất là 5 vệ tinh cho việc tự
động khởi đo.
Phải có bộ liên kết sóng radio giữa
máy trạm tĩnh và trạm di động.
1.2.1. Đo tuyệt đối
10
a. Nguyên lý định vị tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định
khoảng cách tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh, từ đó tính ra toạ độ của
điểm quan sát trong hệ thống toạ độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần
toạ độ vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần toạ độ mặt cầu
(B, L, H).
Hệ thống toạ độ WGS84 là hệ thống toạ độ cơ sở của hệ thống GPS, toạ
độ của vệ tinh cũng như của điểm quan sát đều được lấy theo hệ thống toạ độ

này. Nó được thiết lập gắn với elipsoid có kích thước như sau:
- Bán trục lớn: a = 6378137 m.
- Độ dẹt: 1/α = 298,2527.
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo là
giả khoảng cách từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian từ
các điểm có toạ độ đã biết là các vệ tinh.
Hình 1.6: Nguyên lý định vị tuyệt đối
Bằng cách đo giả khoảng cách đồng thời từ ít nhất 4 vệ tinh đến máy thu
ta có thể xác định được toạ độ tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm
được số hiệu chỉnh cho đồng hồ (thạch anh) của máy thu.
Nếu biết chính xác khoảng thời gian lan truyền tín hiệu code tựa ngẫu
nhiên từ vệ tinh đến máy thu, ta sẽ tính được khoảng cách chính xác giữa vệ tinh
và máy thu. Khi có 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh đến máy
11
thu sẽ cho ta vị trí không gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế cả đồng hồ
trên vệ tinh và đồng hồ trong máy thu đều có sai số đặc biệt là sai số trong đồng
hồ máy thu, nên các khoảng cách đo được không phải là khoảng cách chính xác.
Kết quả là không thể thực hiện giao hội tại một điểm, nghĩa là không xác định
được chính xác vị trí máy thu. Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng thêm ít
nhất một đại lượng đo nữa, đó là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4. Để thấy rõ điều
này ta xét hệ phương trình cho 4 vệ tinh:
(x
s1
-x)
2
+ (y
s1
-y)
2
+ (z

s1
-z)
2
= (R
1
-c.∆t)
2
(x
s2
-x)
2
+ (y
s2
-y)
2
+ (z
s2
-z)
2
= (R
2
-c.∆t)
2
(x
s3
-x)
2
+ (y
s3
-y)

2
+ (z
s3
-z)
2
= (R
3
-c.∆t)
2
(x
s4
-x)
2
+ (y
s4
-y)
2
+ (z
s4
-z)
2
= (R
4
-c.∆t)
2
Để xác định toạ độ một điểm (x,y,z), ta chỉ cần 3 phương trình ứng với
khoảng cách chính xác từ 3 vệ tinh. Song do có sai số không đồng bộ của đồng
hồ vốn không được biết trước, nên chúng ta phải coi nó là ẩn số thứ 4 để tìm.
Chính vì vậy mà ta cần có một phương trình, tức là phải quan sát thêm một vệ
tinh nữa.

Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định toạ
độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Trên thực tế với hệ thống vệ tinh
hoạt động đầy đủ như hiện nay, số lượng vệ tinh có thể quan sát đồng thời
thường là 6 đến 8, có khi nhiều hơn. Khi đó lời giải đơn trị sẽ được rút ra nhờ
phương pháp xử lý số liệu đo theo nguyên tắc bình phương nhỏ nhất.
Nếu ta biết thêm độ cao điểm quan sát so với bề mặt ellipsoid của hệ toạ
độ WGS-84, chẳng hạn trong trường hợp ở trên mặt biển, khi đó chỉ còn phải
xác định 2 ẩn số là toạ độ mặt bằng của điểm quan sát. Trong trường hợp này
cần quan sát ít nhất 3 vệ tinh.
b. Đo tuyệt đối
Đây là kỹ thuật xác định toạ độ của điểm đặt máy thu tín hiệu vệ tinh sử
dụng nguyên lý định vị tuyệt đối. Trị đo cơ bản của kỹ thuật đo này là trị đo
Code và chỉ sử dụng một máy thu tín hiệu vệ tinh. Do kỹ thuật đo này còn bị ảnh
12
hưởng của nhiều nguồn sai số chưa đựơc khắc phục nên độ chính xác vị trí điểm
thấp, cỡ 10m thậm chí kém hơn. Vì vậy kỹ thuật đo này chỉ chủ yếu dùng cho
việc dẫn đường và các mục đích có yêu cầu độ chính xác không cao. Ngoài ra
việc sử lý dữ liệu đo code còn có tác dụng hiệu chỉnh đồng hồ máy thu.
c. Đo vi phân
Theo phương pháp này cần có một máy thu GPS có khả năng phát tín hiệu
vô tuyến được đặt tại điểm có toạ độ đã biết (được gọi là máy cố định), đồng
thời có máy khác (được gọi là máy di động) đặt ở vị trí cần được xác định toạ
độ, có thể là điểm cố định hoặc điểm di động như tàu thuỷ, ô tô, máy bay. Cả
máy cố định và máy di động cần tiến hành đồng thời thu tín hiệu từ các vệ tinh
như nhau.
Nếu thông tin từ vệ tinh bị nhiễu thì kết quả xác định toạ độ của cả máy
cố định và máy di động cũng đều bị sai lệch. Độ sai lệch này được xác định trên
cơ sở so sánh toạ độ tính ra theo tín hiệu thu được và toạ độ đã biết trước của
máy cố định và có thể được xem như nhau cho cả máy cố định và máy di động.
Nó được máy cố định phát đi qua sóng vô tuyến để máy di động thu nhận mà

hiệu chỉnh cho kết quả xác định toạ độ của mình.
Ngoài cách hiệu chỉnh cho tọa độ, người ta còn tiến hành hiệu chỉnh thứ
hai đòi hỏi máy thu cố định có cấu tạo phức tạp và tốn kém hơn, nhưng lại cho
phép người sử dụng xử lý chủ động linh hoạt hơn.
Để đảm bảo độ chính xác cần thiết, các số hiệu chỉnh cần được xác định
và phát chuyển nhanh với tần suất cao, và phạm vi hoạt động của máy thu không
phải là tuỳ ý mà phải giới hạn trong bán kính thu nhận được tín hiệu vô tuyến
phát từ máy cố định. Người ta đã xây dựng các hệ thống GPS vi phân diện rộng
cũng như mạng lưới GPS vi phân gồm một số trạm cố định để phục vụ nhu cầu
định vị cho cả một khu vực rộng lớn như cả một lục địa hay đại dương với độ
chính xác cỡ mét. Phương pháp định vị GPS vi phân có thể bảo đảm độ chính
xác phổ biến tới decimet.
13
Hình 1.8: Nguyên lý định vị tương đối
S
A
B
Vecto cạnh

Hình 1.7: Nguyên lý đo vi phân
1.2.2. Đo tương đối
a. Nguyên lý đo tương đối
Phương pháp định vị loại trừ được các sai số tốt nhất là phương pháp định
vị tương đối. Máy thu được đặt tại hai điểm chẳng hạn A và B, một trong hai
điểm là điểm cơ sở hay điểm tham chiếu. Tọa độ của trạm B được xác định
tương đối so với trạm tham chiếu A. Hay nói cách khác, phương pháp định vị
tương đối nhằm xác định vecto nối giữa hai điểm mà thường được gọi là
vectocạnh hay đơn giản là cạnh. Gọi
A
X

và
B
X
là các vecto vị trí của hai điểm
A và B, khi đó:
ABAB
DXX
+=
,
Trong đó:
TT
ABABAB
ZYXZZYYXXD ),,(),,( ∆∆∆=−−−=
(2.1)
Tọa độ của trạm tham chiếu A phải ở trong hệ tọa độ WGS-84.
14
Phương pháp định vị tương đối có thể được thực hiện cả với trị đo code
và trị đo pha nhưng thông thường người ta quan tâm chủ yếu đến các trị đo pha.
Các trị đo code được sử dụng như là bổ trợ. Phương pháp định vị tương đối đòi
hỏi quan sát liên tục cả trên trạm tham chiếu và trên trạm cần xác định mới. Khi
đó có thể tạo ra các hiệu giữa các trị đo mà trong đó các nguồn sai số đã được
loại trừ. Dựa vào các hiệu người ta tính các thành phần của vecto cạnh
D
.
Khoảng cách từ máy thu đến các vệ tinh được xác định bằng phương pháp
đo pha sóng tải. Tuy nhiên máy thu không đo được toàn bộ khoảng cách này.
Mô hình toán học của khoảng cách pha có dạng sau:
AiatmASiAiAiAi
RtctcN
,,

δδδλρλφ
++−+=
(2.2)
Trong đó:
Ai
ρ
: Khoảng cách hình học từ trạm đo đến vệ tinh.
Ai
N
: Trị nguyên đa trị, số bước sóng của sóng mang
λ
trên khoảng cách
Ai
ρ
.
Si
t
δ
,
A
t
δ
,
, ,atm i A
R
δ
: Lần lượt là sai số do vệ tinh, máy thu và tầng khí quyển
gây nên.
Giá trị

Ai
φ
đo được có chứa số nguyên đa trị
Ai
N
và rất nhiều sai số tương
quan, không tương quan và cả sai số hệ thống. Do đó trong khi xử lý người ta sử
dụng hiệu của các giá trị
Ai
φ
đo được trên trạm tham chiếu và trạm di động (hiệu
pha). Tùy theo thuật toán, từ kết quả đo được các hiệu đơn, hiệu kép và hiệu ba
được tạo ra. Các hiệu pha này chứa ít hoặc hầu như không còn sai số từ đó thuận
tiện cho bước tiếp theo – giải trị nguyên đa trị. Thậm chí có thể loại trừ được cả
số nguyên đa trị
Ai
N
.
15
Giả sử vào thời gian t quan sát trên hai trạm A và B thu được kết quả đo:

AatmASAAA
RtctcN
,1,1111

δδδλρλφ
++−+=
BatmBSBBB
RtctcN
,1,1111

δδδλρλφ
++−+=
(2.3)
Trong đó chỉ số
1A
cho biết phép đo từ trạm A đến vệ tinh
1
S
. Trong quá
trình tính toán hiệu pha được tạo ra:
111 BAAB
λφλφφ
−=∆
)().().()(
,1,,1,11111 BatmAatmBABABAAB
RRttcNN
δδδδλρρφ
−+−+−+−=∆
(2.4)
Đây được gọi là hiệu đơn (Single Difference – SD). Trong hiệu này không
còn chứa sai số do vệ tinh gây ra
1S
t
δ
. Ngoài ra các sai số khác như ảnh hưởng
của khí quyển cũng được giảm thiểu đáng kể. Hai trạm A và B càng nằm gần
nhau các sai số càng được triệt tiêu nhiều hơn.
Giả sử vào thời điểm
t

không chỉ quan sát được vệ tinh
1
S
mà còn quan
sát được vệ tinh
2
S
. Từ kết quả đo được các hiệu đơn được tạo ra:
16
Hình 1.9: Hiệu pha giữa các
trạm (hiệu đơn)
A
B
1B
ρ
1A
ρ
S
1
A
B
1B
ρ
1A
ρ
S
1
2A
ρ
2B

ρ
S
2
Hình 1.10: Hiệu pha
giữa các vệ tinh
)().().()(
,1,,1,11111 BatmAatmBABABAAB
RRttcNN
δδδδλρρφ
−+−+−+−=∆

)().().()(
,2,,2,22222 BatmAatmBABABAAB
RRttcNN
δδδδλρρφ
−+−+−+−=∆
Từ các hiệu đơn này các hiệu kép (Double Difference – DD) được tạo ra:
2112 ABABAB
φφφ
∆−∆=∆
[ ]
12,12221112
.)()(
ABatmABBABAAB
RN
δλρρρρφ
+−−−−=∆
(2.5)
Trong đó:
[ ]

)()(
221112 BABAAB
NNNNN
−−−=

)()(
,2,,2,,1,,1,12, BatmAatmBatmAatmABatm
RRRRR
δδδδδ
−−−=
Hiệu kép hoàn toàn không
còn bị ảnh hưởng bởi các nguồn
sai số trên vệ tinh cũng như trên
các trạm đo và phần lớn ảnh hưởng
của các nguồn sai số khác. Số
nguyên đa trị
12AB
N
nhỏ hơn rất
nhiều so với
1A
N
và
1B
N
do đó rất
thuận tiện cho việc giải trị nguyên
đa trị. Chính vì các lý do trên mà
hiệu kép là dữ liệu cơ bản để xử lý.
Trong thực tế không chỉ

quan sát được hai vệ tinh mà toàn bộ các vệ tinh có góc cao so với đường chân
trời của trạm quan sát lớn hơn giá trị cho phép (10 – 15
0
). Khi đó có thể tạo ra
các hiệu chẳng hạn giữa vệ tinh đầu tiên và mỗi vệ tinh còn lại 1-2, 1-3, 1-4, 1-
5,
Các quan sát không chỉ giới hạn vào một thời điểm. Giả sử vào thời điểm
1
t
thực hiện các quan sát như trên, vào thời điểm
2
t
cũng thực hiện các quan sát
tương tự. Như vậy đối với mỗi thời điểm có thể tạo ra các hiệu bậc hai:
)(
112
t
AB
φ
∆
- Thời điểm
1
t
.
)(
212
t
AB
φ
∆

- Thời điểm
2
t
.
Các hiệu ba (Triple Difference – TD) được tạo ra như sau:
)()()(
2121122112
tttt
ABABAB
φφφ
∆−∆=−∆
.
[ ] [ ]
1
2211
2
22112112
)()()()()(
t
BABA
t
BABAAB
tt
ρρρρρρρρφ
−+−−−+−=−∆
. (2.6)
17
A
B
2

1
t
B
ρ
1
1
t
A
ρ
)(
11
tS
)(
21
tS
)(
12
tS
)(
22
tS
2
1
t
A
ρ
1
2
t
A

ρ
2
2
t
A
ρ
1
1
t
B
ρ
1
2
t
B
ρ
2
2
t
B
ρ
Hình 1.11: Hiệu pha giữa các thời điểm đo
Như vậy trong hiệu ba không còn chứa số nguyên đa trị. Có thể dùng hiệu
này để tìm được các thành phần của vecto cạnh AB (gia số toạ độ). Tuy nhiên
thực tế hiệu ba lại không cho kết quả định vị có độ chính xác như mong đợi. Do
trong quá trình tạo ra hiệu trị đo, sai số bị tăng lên đáng kể làm giảm độ tin cậy
của hiệu ba. Hiệu kép mới thực sự là phương án tối ưu và được dùng làm kết
quả chính trong các phần mềm xử lý.
b. Phương pháp đo tĩnh
Phương pháp đo tĩnh là phương pháp được duy trì kể từ khi có các thiết bị

đo GPS cho tới nay, phương pháp đo này thường được sử dụng để đo lưới khống
chế trắc địa. Phương pháp này đòi hỏi phải có hai máy thu trở lên, một máy đặt
tại điểm tham chiếu (điểm đã biết tọa độ), máy thứ hai đạt tại điểm cần xác định
và cung thu số liệu liên tục trong khoảng một giờ trở lên cho mỗi ca đo.
Đây là phương pháp cho phép đạt độ chính xác cao nhất trong việc định vị
tương đối bằng GPS, có thể đạt độ chính xác cỡ centimét, thậm chí milimét ở
khoảng cách giữa hai điểm xét tới hàng chục và hàng trăm kilômét. Nhược điểm
chủ yếu của phương pháp này là thời gian đo phải kéo dài hàng giờ, do vậy năng
suất đo thường không cao.
Hình 1.12: Nguyên lý đo tương đối tĩnh
Trong phương pháp đo tĩnh thì có một phương pháp nữa, đó là phương
pháp đo tĩnh nhanh. Phương pháp này đòi hỏi cấu hình phần cứng và thời gian
18
đo là hai yếu tố để phân biệt phương pháp đo tĩnh nhanh với các phương pháp
đo GPS khác. Phương pháp đo tĩnh nhanh cần phải có phần mềm xử lý sau số
liệu đo đạc ngoài thực địa để có thể cho ra được kết quả cuối cùng.
Các thủ tục đo đạc cần tiến hành trên thực địa cũng giống như với phương
pháp đo tĩnh, ngoại trừ thời gian cần thiết cho mỗi điểm đo không quá chặt chẽ.
Bảng dưới đây sẽ cho biết thời gian cần thiết khi áp dụng phương pháp đo tĩnh
nhanh, thông thường khoảng thời gian trung bình từ 5 đến 10 phút là đủ cho mỗi
điểm đo.
Bảng 1.2: Thời gian và số vệ tinh cần thiết cho đo tĩnh nhanh
Số vệ tinh Thời gian đo (Phút)
4 20+
5 10 - 20
6 + 5 - 10
Thời gian đo trong phương pháp đo tĩnh nhanh còn phụ thuộc vào khoảng
cách của cạnh đo và đồ hình vệ tinh. Khoảng thời gian ở bảng trên chỉ tính tới số
lượng vệ tinh và chỉ ứng dụng cho các cạnh đo ngắn.
c. Phương pháp đo động

Phương pháp đo động là phương pháp đo mang lại hiệu quả công việc cao
nhất. Trong chế độ đo động, một máy thu đặt tại điểm đã biết chính xác tọa độ
(được gọi là máy cố định) và máy thứ hai (được gọi là máy di động), máy này sẽ
di chuyển quanh khu vực và thực hiện đo tại các điểm đo cần thiết.
Phụ thuộc vào một vài yếu tố, người ta chia phương pháp đo động ra:
+ Đo động xử lý sau hoặc thời gian thực
+ Một tần số hoặc hai tần số
+ Đo Stop and Go hoặc đo lien tục (Continuous)
Tất cả các máy thu sử dụng trong đo động đều có khả năng khởi đo và rất
nhiều máy thu còn doi hỏi phải có khả năng khởi đo lại trong trường hợp bị mất
tín hiệu từ một số các vệ tinh đang quan sát.
Các máy thu một tần số buộc phải khởi đo bằng cách sử dụng cạnh đo đã
biết là cạnh đo đã được tiến hành đo trước bằng phương pháp đo tĩnh nhanh
19
hoặc phương pháp đo tĩnh trước khi tiến hành đo động, nhưng cũng có thể là các
cạnh đo đã được xác định lúc trước cũng bằng phương pháp đo động hoặc các
điểm khống chế đã được tính chuyển tọa độ về hệ WGS-84. Hiện nay đã xuất
hiện rất nhiều loại máy thu có khả năng khởi đo tự động, thậm chí khởi đo tự
động ngay khi đang di chuyển.
Hình 1.13: Nguyên lý đo tương đối động
d. Phương pháp đo giả động
Phương pháp đo giả động cũng cho phép xác định vị trí tương đối của
hàng loạt điểm so với điểm đã biết trong khoảng thời gian đo khá nhanh, nhưng
độ chính xác định vị không cao bằng phương pháp đo động. Trong phương pháp
này không cần làm thủ tục khởi đo, tức là không cần sử dụng cạnh đáy đã biết.
Máy cố định cũng phải tiến hành thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ
đo, còn máy di động được chuyển đến từng điểm đo, tại mỗi điểm thu tín hiệu
trong 5-10 phút.
Sau khi đo hết lượt, máy di động trở về điểm xuất phát và đo lặp lại tất cả
các điểm theo đúng trình tự trước đó, nhưng phải đảm bảo sao cho khoảng thời

gian dãn cách giữa hai lần đo tại mỗi điểm không ít hơn một tiếng đồng hồ. Chính
trong khoảng thời gian này, đồ hình vệ tinh thay đổi đủ để xác định được số
nguyên đa trị, còn hai lần đo, mỗi lần kéo dài 5-10 phút và giãn cách nhau một
tiếng đồng hồ, có tác dụng tương đương như phép đo tĩnh kéo dài trong một tiếng.
20
Yêu cầu nhất thiết trong phương pháp này là phải có được ít nhất 3 vệ tinh
chung cho cả hai lần đo tại mỗi điểm quan sát. Điều đáng chú ý là máy thu
không nhất thiết phải thu tín hiệu vệ tinh liên tục trong suốt chu kỳ đo mà chỉ
cần trong vòng 5-10 phút tại mỗi điểm đo, nghĩa là có thể tắt máy trong lúc vận
chuyển từ điểm nọ đến điểm kia. Tức là có thể áp dụng phương pháp này cho cả
ở khu vực có nhiều vật che khuất.
Hình 1.14: Nguyên lý đo giả động
1.3. Một số công nghệ đo hiện nay
1.3.1. Công nghệ RTK
Công nghệ RTK (Real Time Kinematic) là một phương pháp đo đạc hiện
đại có độ chính xác cao và nhanh chóng.
Hệ thống RTK gồm các thành phần trạm tham chiếu, trạm cố định
(anten và máy thu), thiết bị điều biến và giải điều biến (radio modem) và
anten vô tuyến. Trong một số hệ thống RTK radiomodem được tích hợp vào
trong máy thu.
Dữ liệu được truyền đi ở định dạng RTCM phiên bản 2.1 với hai cặp bản
tin. Bản tin số 18 và 19 chứa dữ liệu đo pha sóng tải và giả khoảng cách của
trạm tham chiếu. Thông báo số 20 và 21 chứa các số hiệu chỉnh vào lịch vệ tinh.
Các bản tin trên chứa các hiệu chỉnh điện ly và đối lưu. Trong phiên bản RTCM.
21
1.3.2. bổ xung thêm bản tin số 3 và 32 dành cho giả khoảng cách GPS
và GLONASS.
Độ trễ dữ liệu thông thường không được vượt quá 0.5-2 giây. Tốc độ
truyền không dưới 2400 bps, tuy nhiên tốc độ 9600 bps và 19200 bps được sử
dụng nhiều hơn. Để có thể truyền được dữ liệu với tốc độ như vậy người ta

thường sử dụng sóng ở dải tần VHF và UHF với công suất phát từ 2 đến 35 Wat.
Hình 1.15: Nguyên lý xác định tọa độ trong kỹ thuật đo RTK.
Do dữ liệu được truyền đi trong dải tần UHF và VHF nên có một số hạn
chế trong việc sử dụng. Trong đa số trường hợp, khoảng cách phát tối đa (km)
có thể tính theo công thức:
(2.7)
Trong đó:
t
h
và
r
h
: Độ cao angten phát và angten thu (m).
k
: Yếu tố phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thông thường
k
=1,33.
Tuy nhiên
k
có thể thay đổi trong khoảng 1,2 1,6. Ví dụ, nếu độ cao
angten phát
30
t
h m
=
, độ cao angten thu
2
r
h m
=

, khoảng cách phát tối đa là
28km. Tuy nhiên thực tế để đạt được là hết sức khó khăn do các vật cản trên địa
22
hình gây ra. Khoảng cách phát thực lớn hơn khoảng cách tính toán chỉ xảy ra
trong điều kiện dị thường của không khí.
Sự suy giảm cường độ tín hiệu (dB) ở khoảng cách d(km) được tính theo
công thức:
(2.8)
Trong đó:
f
- tần số phát (MHz), độ cao angten
t
h
và
r
h
tính bằng m, với
30
t
h m
=
,
2
r
h m
=
,
470450
−=
f

MHz và
10d km
=
cường độ tín hiệu bị suy giảm
146 dB.
Vấn đề mấu chốt của RTK là khả năng giải trị nguyên đa trị trong thời
gian máy thu di chuyển. Để giải quyết vấn đề này kỹ thuật OTF được áp dụng
với tổ hợp dữ liệu đo pha sóng mang trên cả L1 và L2. Phương pháp OTF bao
gồm phép hạn chế vùng tìm kiếm và công nghệ tính toán trị nguyên đa trị theo
phương pháp bình phương nhỏ nhất. Tốc độ giải trị nguyên đa trị phụ thuộc vào
hàng loạt các yếu tố như: Số lượng vệ tinh quan sát, đồ hình vệ tinh, các nguồn
nhiễu. Trong điều kiện thuận lợi kỹ thuật OTF cho phép giải trị nguyên đa trị
trong khoảng thời gian 10 giây.
Sai số định vị của phương pháp đo động được ước tính theo công thức:
).2)2010((
km
D+−
mm
, trong đó
km
D
là khoảng cách giữa trạm tham chiếu và trạm
di động tính bằng km.
Trong những năm gần đây công nghệ RTK đã được phát triển mạnh mẽ
và được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Tại nhiều quốc gia đã xây dựng cơ
sở hạ tầng GPS phủ trùm một khu vực lớn hoặc toàn quốc để phục vụ các mục
đích khác nhau trong đó trọng tâm là kỹ thuật định vị thời gian thực RTK với
trạm tham chiếu ảo (VRS).
1.3.3. Công nghệ VRS
Theo giải pháp này, mạng lưới bao gồm nhiều trạm cố định đo thường

trực, trạm xử lý và điều hành trung tâm và hệ thống truyền thông. Dữ liệu đo tại
23