ứng dụng công nghệ gps xây dựng lưới địa chính phục vụ công tác thành lập bản đồ địa chính huyện ea kar tỉnh đắk lắk

1. MỞ ĐẦU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống định vị toàn cầu GPS là hệ thống định vị, dẫn đường sử dụng
các vệ tinh nhân tạo được Bộ Quốc phòng Mỹ triển khai từ những năm đầu
thập kỷ 70. Ban đầu, hệ thống này được dùng cho mục đích quân sự nhưng
sau đó đã được thương mại hóa, được ứng dụng rất rộng rãi trong các hoạt
động kinh tế, xã hội. Ngày nay, trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội
đã và đang áp dụng công nghệ GPS. Trong trắc địa cũng vậy, công nghệ GPS
đã mở ra thời kỳ mới, đã thay thế công nghệ truyền thống trong việc thành lập
và xây dựng mạng lưới tọa độ các cấp. Với ngành trắc địa bản đồ thì đây là
cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất lượng cũng như hiệu quả kinh tế
trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.
Hệ thống định vị toàn cầu GPS đã được công nhận và sử dụng rộng rãi
như một công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính ưu việt
sau: Có thể xác định tọa độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không cần
thông hướng; độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể
đo trong mọi điều kiện thời tiết); việc đo đạc tọa độ các điểm rất nhanh
chóng, tính chính xác cao, ở vị trí bất kỳ trên trái đất; kết quả đo đạc có thể
tính trong hệ tọa độ toàn cầu hoặc hệ tọa độ địa phương bất kỳ. [1]
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện
theo chiều hướng chính xác, hiệu quả, thuận tiện hơn và được sử dụng rộng
rãi. Người ta đã sử dụng công nghệ GPS để xây dựng lưới tọa độ nhà nước
thay thế cho các phương pháp truyền thống, đạt được độ chính xác cao.
Huyện Ea Kar tỉnh Đắk Lắk những năm qua có tốc độ phát triển kinh tế
tương đối nhanh kéo theo nhu cầu sử dụng đất ngày càng tăng. Chính vì thế
1
nhu cầu bức thiết trong quản lý đất đai của huyện là phải thành lập được bản
đồ địa chính (BĐĐC) có độ chính xác cao. Muốn có được điều đó cần phải
xây dựng hệ thống lưới địa chính trên địa bàn huyện.
Để mở rộng khả năng sử dụng công nghệ GPS, góp phần đưa công
nghệ mới vào sản xuất, xây dựng hệ thống lưới địa chính huyện Ea Kar tỉnh

Đắk Lắk, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Ứng dụng công nghệ GPS xây dựng lưới địa chính phục vụ công
tác thành lập bản đồ địa chính huyện Ea Kar tỉnh Đắk Lắk”
1.2 Mục đích của đề tài
Thông qua việc nghiên cứu nhằm tìm hiểu khả năng ứng dụng công
nghệ GPS vào xây dựng lưới địa chính khu vực đồi núi của tỉnh Đắk Lắk.
1.3 Yêu cầu của đề tài
Thiết kế, thi công lưới địa chính trên địa bàn huyện Ea Kar tỉnh Đắk
Lắk. Phân tích, đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ GPS
trong xây dựng lưới địa chính ở khu vực miền núi.
1.4 Tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Dựa trên công nghệ GPS để xây dựng hệ thống lưới địa chính thay thế
cho phương pháp xây dựng lưới truyền thống, góp phần đưa công nghệ mới
vào sản xuất nhằm nâng cao độ chính xác lưới, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật trong thực tế sản xuất.
2
2. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1 Khái quát về hệ thống định vị toàn cầu GPS
2.1.1 Khái niệm về GPS [8]
Tên tiếng Anh đầy đủ của GPS là Navigation Satellite Timing and
Ranging Global Positioning System. Đây là một hệ thống radio hàng hải dựa
vào các vệ tinh để cung cấp thông tin vị trí 3 chiều và thời gian chính xác. Hệ
thống luôn sẵn sàng trên phạm vi toàn cầu và hoạt động trong mọi điều kiện
thời tiết.
Hình 2.1: Mô hình hình ảnh trái đất và vệ tinh GPS
2.1.2 Các thành phần của GPS [13]
GPS gồm 3 thành phần: mảng không gian, mảng điều khiển và mảng
người sử dụng.
• Mảng không gian
- Hệ thống ban đầu có 24 vệ tinh, trong đó có 3 vệ tinh dự trữ. Hiện nay

đã có 29 vệ tinh bay xung quanh Trái đất ở quỹ đạo gần tròn, với độ cao
3
khoảng 20.200km, góc nghiêng 55
0
, nằm trên 6 mặt phẳng quỹ đạo.
- Chức năng chính của các vệ tinh là:
+ Nhận và lưu trữ dữ liệu được gửi lên từ các trạm điều khiển.
+ Duy trì thời gian chính xác bởi đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh.
+ Truyền thông tin và dữ liệu cho người sử dụng theo hai tần số là L1 và L2.
Hình 2.2: Cấu trúc tín hiệu GPS
4
• Mảng điều khiển
Có 5 trạm điều khiển trên mặt đất: Hawaii, Colorado Springs,
Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein, có chức năng như sau:
- Cả 5 trạm đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến
trạm điều khiển chính.
- Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC). Tại đó dữ
liệu theo dõi được xử lý nhằm tính tọa độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh.
- Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ
liệu lên vệ tinh. Dữ liệu bao gồm các bảng lịch và thông tin số hiệu chỉnh
đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải.
Hình 2.3: Các trạm điều khiển GPS
• Mảng người sử dụng
Gồm các máy thu đặt trên mặt đất, bao gồm phần cứng và phần mềm.
- Phần cứng là các máy đo có nhiệm vụ thu tín hiệu vệ tinh để rút ra trị
đo khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh và tọa độ vệ tinh ở thời điểm đo.
5
- Phần mềm có nhiệm vụ xử lý các thông tin để cung cấp tọa độ máy thu.
Hình 2.4: Các thành phần chính của GPS
2.1.3 Nguyên lý định vị GPS [9]

2.1.3.1 Các đại lượng đo
Việc định vị bằng GPS thực hiện trên cơ sở sử dụng hai dạng đại lượng
đo cơ bản, đó là đo khoảng cách giả theo các code tựa ngẫu nhiên (C/A-code
và P-code) và đo pha của sóng tải (L1, L2).
• 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
6
cách từ vệ tinh đến máy thu (đến tâm anten của 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 tín 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 2.5: Xác định hiệu số giữa các thời điểm
Nếu ký hiệu tọa độ của vệ tinh là x
s
, y
s
, z
s
; 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:
Trong đó, c là tốc độ lan truyền tín hiệu.
Trong trường hợp sử dụng C/A-code, theo dự tính của các nhà thiết kế

hệ thống GPS, kỹ thuật đo khoảng thời gian lan truyền tín hiệu chỉ có thể đảm
bảo độ chính xác đo khoảng cách tương ứng khoảng 30m. Nếu tính đến ảnh
7
tczzyyxxttcR
sss
∆+−+−+−=∆+=
222
)()()()(
(1.1)
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1
∆t
∆δ
Code do máy thu tạo ra
Code chuyền từ vệ tinh
Code thu được
hưởng của điều kiện lan truyền tín hiệu, sai số đo khoảng cách theo C/A code
sẽ ở mức 100m là mức có thể chấp nhận được để cho khách hàng dân sự được
khai thác. Song kỹ thuật xử lý tín hiệu code này đã được phát triển đến mức
có thể đảm bảo độ chính xác đo khoảng cách khoảng 3m, tức là hầu như
không thua kém so với trường hợp sử dụng P-code vốn không dành cho khách
hàng đại trà. Chính vì lý do này mà trước đây Chính phủ Mỹ đã đưa ra giải
pháp SA để hạn chế khả năng thực tế của C/A code. Nhưng ngày nay do kỹ
thuật đo GPS có thể khắc phục được nhiễu SA, Chính phủ Mỹ đã tuyên bố bỏ
nhiễu SA trong trị đo GPS từ tháng 5 năm 2000.
• Đo pha sóng tải
Các sóng tải L1, L2 được sử dụng cho việc định vị với độ chính xác
cao. Với mục đích này người ta tiến hành đo hiệu số giữa pha của sóng tải do
máy thu nhận được từ vệ tinh và pha của tín hiệu do chính máy thu tạo ra.

Hiệu số pha do máy thu đo được ta ký hiệu là Φ (0<Φ<2π).
Khi đó ta có thể viết:
Trong đó: R là khoảng cách giữa vệ tinh và máy thu;

λ
là bước sóng của sóng tải;
N là số nguyên lần bước sóng λ chứa trong R;

∆
t là sai số đồng bộ giữa đồng hồ của vệ tinh và máy thu;
N còn được gọi là số nguyên đa trị, thường không biết trước mà cần
phải xác định trong thời gian đo.
8
)(
2
tcNR ∆+−
Π
=Φ
λ
λ
(1.2)
Trong trường hợp đo pha theo sóng tải L1 có thể xác định khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu với độ chính xác cỡ cm, thậm chí nhỏ hơn. Sóng tải
L2 cho độ chính xác thấp hơn nhiều, nhưng tác dụng của nó là cùng với L1
tạo ra khả năng làm giảm đáng kể tầng điện ly và việc xác định số nguyên đa
trị được đơn giản hơn.
Hình 2.6: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu
2.1.3.2 Định vị tuyệt đối (point positioning)
Đây là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay tọa độ của
điểm quan sát trong hệ tọa độ WGS-84. Đó có thể là các thành phần tọa độ

vuông góc không gian (X,Y,Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt cầu (B,L,H).
Hệ thống tọa độ WGS-84 là hệ thống tọa độ cơ sở của GPS, tọa độ của vệ tinh
và điểm quan sát đều lấy theo hệ thống tọa độ này.
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đo
là khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội cạnh
không gian từ các điểm đã biết tọa độ là các vệ tinh.
9
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 đó 3 khoảng cách được xác định đồng thời từ 3 vệ tinh
đến máy 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, nên khoảng
cách đo được không phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không
thể cắt nhau tại một điểm, nghĩa là không thể xác định được vị trí của máy
thu. Để khắc phục tình trạng này cần sử dụng thêm một đại lượng đo nữa, đó
là khoảng cách từ vệ tinh thứ 4, ta có hệ phương trình:
(xs
1
- x)
2
+(ys
1
- y)
2
+(zs
1
- z)
2
= (R1-c∆t)
2

(xs
2
- x)
2
+(ys
2
- y)
2
+(zs
2
- z)
2
= (R2-c∆t)
2

(xs
3
- x)
2
+(ys
3
- y)
2
+(zs
3
- z)
2
= (R3-c∆t)
2

(xs
4
- x)
2
+(ys
4
- y)
2
+(zs
4
- z)
2
= (R4-c∆t)
2

Với 4 phương trình 4 ẩn số (x, y, z,
∆
t) ta sẽ tìm được nghiệm là tọa độ
tuyệt đối của máy thu, ngoài ra còn xác định thêm được số hiệu chỉnh của
đồng hồ (thạch anh) của máy thu.
Trên thực tế với hệ thống vệ tinh hoạt động đầy đủ như hiện nay, số
lượng vệ tinh mà các máy thu quan sát được thường từ 6-8 vệ tinh, khi đó
nghiệm của phương trình sẽ tìm theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất.
10
(1.3)
Hình 2.7: Kỹ thuật định vị tuyệt đối
2.1.3.3 Định vị tương đối (Relative Positioning)
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng hai máy thu GPS đặt ở hai
điểm quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc không gian

(∆X, ∆Y, ∆Z) hay hiệu tọa độ mặt cầu (∆B, ∆L, ∆H) giữa chúng trong hệ tọa
độ WGS-84.
Nguyên tắc đo GPS tương đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại
lượng đo là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho kết
quả xác định hiệu tọa độ giữa hai điểm xét, người ta đã tạo ra và sử dụng các
sai phân khác nhau cho pha sóng tải nhằm làm giảm ảnh hưởng đến các
nguồn sai số khác nhau như: Sai số của đồng hồ vệ tinh cũng như của máy
thu, sai số tọa độ vệ tinh, sai số số nguyên đa trị,
Ta ký hiệu
Φ
(ti) là hiệu pha của sóng tải từ vệ tinh j đo được tại trạm r
vào thời điểm ti, khi đó nếu hai trạm đo 1 và 2 ta quan sát đồng thời vệ tinh j
vào thời điểm ti, ta sẽ có sai phân bậc một được biểu diễn như sau:
∆
1
Φ
j
(ti)= Φ
2
j
(ti)- Φ
1
j
(ti) (1.4)
Trong sai phân này hầu như không còn ảnh hưởng của sai số đồng hồ vệ tinh.
11
Nếu hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k vào
thời điểm ti, ta có phân sai bậc hai:
∆
2

Φ
j,k
(ti)= ∆
1
Φ
k
(ti)- ∆
1
Φ
j
(ti) (1.5)
Qua công thức này ta thấy không còn ảnh hưởng của sai số đồng hộ vệ
tinh và máy thu.
Nếu xét hai trạm cùng tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh j và k
vào thời điểm ti và t
i+1
, ta sẽ có phân sai bậc ba:
∆
3
Φ
j,k
(ti)= ∆
2
Φ
j,k
(t
i+1
)- ∆
2
Φ

j,k
(t
i
) (1.6)
Sai phân này cho phép loại trừ sai số số nguyên đa trị.
Hiện nay hệ thống GPS có khoảng 27-28 vệ tinh hoạt động. Do vậy, tại
mỗi thời điểm ta có thể quan sát được số vệ tinh nhiều hơn 4. Bằng cách tổng
hợp theo từng cặp vệ tinh sẽ có rất nhiều trị đo, mặt khác thời gian thu tín
hiệu trong đo tương đối thường khá dài vì vậy số lượng trị đo để xác định ra
hiệu tọa độ giữa hai điểm là rất lớn, khi đó bài toán sẽ giải theo phương pháp
số bình phương nhỏ nhất.
12
Hình 2.8: Kỹ thuật định vị tương đối
2.1.4 Các nguồn sai số trong định vị GPS [2]
2.1.4.1 Sai số do độ sai lệch đồng hồ
Sai số do sự không đồng bộ giữa đồng hồ vệ tinh và máy thu gây ra sai
số rất lớn trong kết quả đo GPS, đặc biệt là trong định vị tuyệt đối.
Các vệ tinh được trang bị đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, tính
đồng bộ về thời gian giữa các đồng hồ vệ tinh được giữ trong khoảng 20 nano
giây. Còn các máy thu GPS được trang bị đồng hồ thạch anh chất lượng cao
(1 phần 10
4
) đặt bên trong.
Chúng ta biết rằng vận tốc truyền tín hiệu khoảng 3.10
8
m/s, nếu sai số
đồng hồ thạch anh là 10
-4
s thì sai số khoảng cách tương ứng là 30km, nếu
đồng hồ nguyên tử sai 10

-7
s thì khoảng cách sai 30m.
Với ảnh hưởng như trên, người ta đã sử dụng nguyên tắc định vị tương
13
đối để loại trừ ảnh hưởng của sai số đồng hồ.
2.1.4.2 Sai số quỹ đạo vệ tinh
Chúng ta đã biết vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo xung quanh trái đất
chịu nhiều sự tác động như ảnh hưởng của sự thay đổi trọng trường trái đất,
ảnh hưởng của sức hút mặt Trăng, mặt Trời, Các ảnh hưởng trên sẽ tác động
tới quỹ đạo của vệ tinh, khi đó vệ tinh sẽ không chuyển động hoàn toàn tuân
theo đúng 3 định luật Kepler. Sai số quỹ đạo vệ tinh ảnh hưởng gần như trọn
vẹn đến kết quả định vị tuyệt đối, song được khắc phục về cơ bản trong định
vị tương đối hoặc vi phân.
Để biết được vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo thì người sử dụng có thể
căn cứ vào lịch vệ tinh. Tùy thuộc vào mức độ chính xác của thông tin, lịch vệ
tinh được chia làm 3 loại là:
- Lịch vệ tinh dự báo (Almanac): Phục vụ cho lập lịch và xác định
quang cảnh nhìn thấy của vệ tinh tại thời điểm quan sát, lịch vệ tinh này có sai
số khoảng vài km.
- Lịch vệ tinh quảng bá (Broadcast ephemeris): Được tạo lập dựa trên
5 trạm quan sát thuộc đoạn điều khiển của hệ thống GPS, hiện nay khi chế độ
nhiễu SA đã được bỏ thì lịch vệ tinh quảng bá có sai số khoảng từ 2-5 m.
- Lịch vệ tinh chính xác: Được lập dựa trên cơ sở các số liệu quan trắc
trong mạng lưới giám sát và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học, loại
lịch này cho sai số nhỏ hơn 0.5m.
2.1.4.3 Ảnh hưởng điều kiện khí tượng
Tín hiệu vệ tinh đến máy thu đi qua một quãng đường lớn hơn
20.000km, trong đó có tầng điện ly từ độ cao 50km tới độ cao 500km và tầng
đối lưu từ độ cao 50km đến mặt đất. Khi tín hiệu đi qua các tầng này có thể bị
14

thay đổi (tán xạ) phụ thuộc vào mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly và tình
trạng hơi nước, nhiệt độ và các bụi khí quyển trong tầng đối lưu.
Người ta ước tính rằng, do ảnh hưởng của tầng điện ly, khi định vị
tuyệt đối có thể bị sai số khoảng 12m, còn ảnh hưởng của tầng đối lưu có thể
gây sai số khoảng 3m.
Các vệ tinh GPS phát tín hiệu ở tần số cao (sóng cực ngắn) do đó ảnh
hưởng của tầng điện ly đã được giảm nhiều, tuy vậy cần lưu ý tới đặc tính của
sóng cực ngắn là truyền thẳng và dễ bị che chắn.
Ảnh hưởng của tầng điện ly tỷ lệ với bình phương tần số, vì thế khi sử
dụng máy thu 2 tần sẽ khắc phục được ảnh hưởng này.
Tuy vậy, ở khoảng cách ngắn (<10km) tín hiệu tới 2 máy coi như đi
trong cùng môi trường, sai số sẽ được loại trừ trong các công thức tính hiệu
tọa độ, do vậy ta nên sử dụng máy một tần, trong khi đó nếu sử dụng máy hai
tần có thể bị nhiễu, làm kết quả kém chính xác.
Để khắc phục ảnh hưởng của tầng đối lưu, người ta quy định chỉ sử
dụng tín hiệu vệ tinh có góc cao trên 15
o
(hoặc trên 10
o
).
Hiện nay người ta đang sử dụng một số mô hình khí quyển, trong đó có
mô hình của Hopfield được dùng rộng rãi.
2.1.4.4 Sai số do nhiễu tín hiệu
Tín hiệu vệ tinh tới máy thu có thể bị nhiễu do một số nguyên nhân sau:
- Tín hiệu bị phản xạ từ các vật (kim loại, bê tông) gần máy thu.
- Tín hiệu bị nhiễu do ảnh hưởng của các tín hiệu sóng điện từ khác.
- Máy thu GPS đặt gần các đường dây tải điện cao áp.
- Tín hiệu bị gián đoạn do các vật che chắn tín hiệu.
15
Để khắc phục sai số nhiễu tín hiệu, khi thiết kế điểm đo cần bố trí xa

các trạm phát sóng, các đường dây cao thế, Không bố trí máy thu dưới các
rặng cây.
2.1.4.5 Sai số do người đo
Người đo có thể phạm các sai lầm như: trong đo chiều cao anten, dọi
điểm định tâm không tốt, đôi khi ghi nhầm chế độ đo cao anten. Để tránh các
sai số này thì người đo GPS cần thận trọng trong định tâm và đo chiều cao
anten.
Cần chú ý là sai số do đo chiều cao anten không những ảnh hưởng tới
độ cao của điểm đo mà còn ảnh hưởng tới vị trí mặt bằng.
Trong khi thu tín hiệu không nên đứng vây quanh máy thu, không che ô
cho máy.
2.1.5 Ưu điểm của phương pháp định vị GPS
- Các vệ tinh có thể được quan trắc trên cùng một vùng lãnh thổ rộng
lớn như quốc gia hay châu lục, trong khi phương pháp định vị truyền thống
chỉ khống chế ở một khu vực nhỏ hẹp.
- Không đòi hỏi thông hướng ở các trạm đo.
- Có thể định vị ở thời gian thực và ở thời điểm bất kỳ: trên mặt đất,
trên biển và trong không gian cho đối tượng đứng yên hay di động.
- Có thể đo 24h/ngày trong mọi điều kiện thời tiết.
- Độ chính xác ngày càng cao và càng được cải thiện.
- Người sử dụng không cần quan tâm đến việc vận hành hệ thống.
2.1.6 Tọa độ và hệ qui chiếu
Hình dạng trái đất theo quan niệm của thuyết đẳng tĩnh thì trái đất là
16
một khối vật chất lỏng, do vậy dạng tự nhiên của trái đất quay sẽ có dạng
Ellipsoid và thế trọng trường trên mặt Ellipsoid trái đất sẽ bằng nhau. Điều
này thể hiện sự cân bằng giữa lực trọng trường của khối vật chất lỏng của trái
đất và lực ly tâm do chuyển động quay của nó.
Một Ellipsoid có hình dạng phù hợp với Geoid trái đất phải là Ellipsoid
phù hợp theo nghĩa trên phạm vi toàn cầu. Ellipsoid được chọn làm hệ tọa độ

định vị toàn cầu là GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), mặt quy chiếu
này được hệ định vị GPS sử dụng gọi là Hệ trắc địa thế giới 1984 (WGS-84).
Hệ tọa độ này dùng Ellipsoid địa tâm xác định bởi bán trục lớn
a=6378137.0m và nghịch đảo độ dẹt 1/f =298.257223563.
Ellipsoid trái đất biểu thị một mô hình toán học mô tả bề mặt tự nhiên
của trái đất nhưng không chỉ rõ cách nhận biết một vị trí cụ thể trên trái đất.
Mỗi hệ tọa độ địa phương đều chỉ rõ mặt quy chiếu và phép chiếu bản đồ, tức
là xác định một phương thức biểu thị một điểm trên mặt đất tự nhiên so với
mặt quy chiếu đó.
Hệ định vị GPS cho tọa độ vuông góc không gian 3 chiều X, Y, Z hoặc
các thành phần tọa độ mặt cầu B, L, H hoặc các gia số tọa độ trên trong hệ tọa
độ toàn cầu WGS-84. Do đó cần phải áp dụng phép tính chuyển tọa độ để
chuyển tọa độ từ hệ tọa độ GPS (WGS-84) về hệ tọa độ qui chiếu địa phương.
Tọa độ không gian địa phương (3 chiều) còn ở dạng được gọi là hệ
thống "2+1". Nghĩa là tọa độ trắc địa B và L xác định độc lập với độ cao h.
Do đó bài toán tính chuyển tọa độ GPS B, L, H về hệ tọa độ địa phương yêu
cầu một dạng tính chuyển tọa độ, trong khi đó độ cao lại đòi hỏi dạng tính
chuyển hoàn toàn khác.
Việc biến đổi tọa độ WGS-84 về tọa độ địa phương thực hiện qua 3 giai
đoạn:
17
1.Tọa độ vuông góc không gian X, Y, Z hoặc (∆X, ∆Y, ∆Z) thuộc hệ
WGS-84 đổi thành tọa độ B, L, H hoặc (∆B, ∆L, ∆H) thuộc hệ WGS-84, sau
đó áp dụng 7 tham số tính chuyển về tọa độ không gian địa phương.
2.Tọa độ không gian địa phương tính đổi thành tọa độ trắc địa.
3.Tọa độ trắc địa sau đó tính chuyển đổi thành tọa độ phẳng qua phép
chiếu bản đồ.
Phép tính chuyển độ cao có sự khác biệt do độ cao xác định trên
Ellipsoid WGS-84 là bề mặt có phương trình toán học, còn độ cao sử dụng
thực tế lại là độ cao thủy chuẩn so với bề mặt Geoid - bề kéo dài từ mặt nước

biển trung bình - một bề mặt không mô tả được bằng phương trình toán học.
Đẳng thức sau là biểu thức biến đổi đơn giản độ cao Ellipsoid WGS-84
về độ cao địa phương bằng cộng thêm độ chênh Geoid-Ellipsoid tại điểm đó:
H = h +N
Trong công thức trên, H là độ cao tính đến mặt Ellipsoid - là độ cao có
thể đo được chính xác bằng công nghệ GPS; h là độ cao thủy chuẩn, được sử
dụng thực tế; N là độ chênh lệch 2 bề mặt Geoid và Ellipsoid tại điểm đó. Dựa
vào số liệu đo trọng lực toàn thế giới người ta đã lập ra mô hình Geoid toàn
cầu dùng cho việc nội suy giá trị chênh Geoid-Ellipsoid phục vụ cho việc tính
độ cao bằng công nghệ GPS. Song do bề mặt Geoid biến đổi phức tạp, số liệu
đo trọng lực thưa nên thực tế phương pháp xác định độ cao trong đo GPS còn
đang được hoàn thiện thêm để kết quả đạt yêu cầu sử dụng.
Nếu có các điểm có độ cao thủy chuẩn bao quanh khu đo, có thể áp
dụng phép nội suy độ chênh Geoid-Ellipsoid. Để thực hiện điều này tại các
điểm mốc độ cao cũng tiến hành thu dữ liệu GPS, độ chênh giữa trị số độ cao
thủy chuẩn và độ cao Ellipsoid WGS-84 cho quy luật về độ chênh Geoid-
Ellipsoid khu đo và được dùng để thay thế hoặc kết hợp với mô hình Geoid
18
chung để nội suy, tính độ cao thủy chuẩn từ số liệu GPS.
2.2 Vài nét về lịch sử phát triển
2.2.1 Trên thế giới [3]
Từ những năm 60 của thế kỷ 20, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ
(NASA) cùng với Quân đội Hoa Kỳ đã tiến hành chương trình nghiên cứu,
phát triển hệ thống dẫn đường và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ
thống định vị dẫn đường bằng vệ tinh thế hệ đầu tiên là hệ thống TRANSIT.
Hệ thống này có 6 vệ tinh, hoạt động theo nguyên lý Doppler. Hệ TRANSIT
được sử dụng trong thương mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó
TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng lưới điểm
định vị khống chế toàn cầu là những ứng dụng sớm nhất và giá trị nhất của hệ
TRANSIT.

Định vị bằng hệ TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính
xác chỉ đạt khoảng 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với
công tác xây dựng các mạng lưới khống chế cạnh dài. Hệ này không thoả mãn
được các ứng dụng đo đạc thông dụng như đo đạc bản đồ, các công trình dân
dụng.
Tiếp sau thành công của hệ TRANSIT. Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ
thứ hai ra đời có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And
Ranging - Global Positioning System), được gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao
gồm 24 vệ tinh phát tín hiệu, bay quanh trái đất theo những quỹ đạo xác định.
Độ chính xác định vị bằng hệ thống này được nâng cao về chất so với hệ
TRANSIT. Nhược điểm về thời gian quan trắc đã được khắc phục. Một năm
sau khi phóng vệ tinh thử nghiệm NTS-2 (Navigation Technology Sattellite
2 ), giai đoạn thử nghiệm vận hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ
tinh GPS mẫu "Block I". Từ năm 1978 đến năm 1985 có 11 vệ tinh Block I đã
19
được phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc Block I đã hết thời
hạn sử dụng. Vệ tinh thế hệ thứ II (Block II) bắt đầu được phóng vào năm
1989. Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6 quỹ đạo nghiêng
55
0
so với mặt phẳng xích đạo trái đất với chu kỳ gần 12 giờ ở độ cao xấp xỉ
12.600 dặm (20.200km). Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III được thiết kế thay thế
những vệ tinh Block II được phóng lần đầu vào năm 1995. Cho đến nay đã có
27 vệ tinh của hệ thống GPS đang hoạt động trên quỹ đạo.
Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có
hệ thống GLONASS của Nga (nhưng không thương mại hóa rộng rãi) và một
hệ thống tương lai sẽ cạnh tranh thị trường với hệ thống GPS là hệ thống
GALILEO của Cộng đồng Châu Âu.
2.2.2 Tại Việt Nam
Ở Việt Nam, phương pháp định vị vệ tinh đã được ứng dụng từ những

năm đầu thập kỷ 90. Với 5 máy thu vệ tinh loại 4000ST, 4000SST ban đầu,
sau một thời gian ngắn lưới khống chế đã được lập xong ở những vùng đặc
biệt khó khăn mà từ trước đến nay chưa có lưới khống chế như Tây Nguyên,
Thượng Nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau đó công nghệ GPS đóng
vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới
cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ và nhiều lưới
khống chế cho các công trình dân dụng khác.
Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công
tác đo lưới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng
hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (chương trình xử lý số
liệu), được ứng dụng rộng rãi vào mọi dạng công tác trắc địa bản đồ, trắc địa
công trình dân dụng và các công tác định vị khác theo chiều hướng ngày càng
đơn giản, hiệu quả. [5]
20
• Hiện trạng lưới tọa độ Nhà nước [11]
Lưới tọa độ Nhà nước được xây dựng theo tuần tự 4 hạng I, II, III, IV.
Mật độ điểm hạng IV yêu cầu 15km
2
có một điểm. Đến nay, lưới tọa độ hạng
I, II Nhà nước đã phủ trùm toàn bộ lãnh thổ. Việc xây dựng lưới hạng I, II
được thực hiện qua nhiều giai đoạn, sử dụng nhiều phương pháp đo đạc khác
nhau. Lưới hạng III, IV Nhà nước cũng đã được phủ trùm ở một số vùng lãnh
thổ nhất định.
Từ Vĩ tuyến 17 ở phía Bắc đã được xây dựng lưới tam giác đo góc hạng
I, dưới dạng lưới dày đặc, sau đó chêm dày điểm hạng II. Tổng số điểm hạng
I là 307 điểm, số điểm hạng II là 540 điểm, cạnh tam giác hạng I trung bình là
25km.
Khu vực ven biển miền Trung từ Vĩnh Linh đến thành phố Hồ Chí
Minh đã xây dựng lưới tam giác đo góc hạng II với độ chính xác cũng rất cao.
Các khu vực đo gặp khó khăn như: Tây Nguyên, Đồng Nai, Bình

Phước đã được phủ kín nhờ mạng lưới các điểm 1992. Sai số trung phương
tương đối cạnh đạt 1/400000.
Đến năm 1992 mạng lưới tọa độ Nhà nước hạng I và II đã phủ trùm
toàn quốc gần 600 điểm hạng I, 1.200 điểm hạng II và 70 điểm đo thiên văn.
Ngoài việc đo lưới thiên văn trắc địa người ta còn tiến hành đo các điểm trọng
lực ở hầu hết các vùng lãnh thổ và lãnh hải.
Mạng lưới tọa độ Nhà nước đã được tính toán, xử lý bình sai vào thời
gian từ 1994, chúng ta đã có được mạng lưới tọa độ hoàn chỉnh phủ trùm
toàn quốc.
Ngoài mạng lưới tọa độ Nhà nước thì trong thời gian qua người ta đã
sử dụng công nghệ Doppler vệ tinh và công nghệ GPS để xây dựng lưới cạnh
dài phủ trùm trên toàn quốc và nối ra các hải đảo.
21
Lưới tọa độ Nhà nước được xử lý trên bề mặt toán học Ellipsoid thực
dụng Kraxovski được định vị phù hợp với lãnh thổ và lãnh hải nước ta.
Tọa độ vuông góc phẳng được tính trên múi chiếu 6
0
Gauss-Kruger.
Muốn thống nhất lưới tọa độ địa chính với hệ thống tọa độ Nhà nước thì ta
phải chọn hệ quy chiếu cho lưới địa chính.
Qua kết quả xây dựng và tính toán lưới hạng I, II trên toàn quốc đã có
tương đối đầy đủ, các điểm cách nhau khoảng 15km, sai số tương hỗ vị trí
điểm kề nhau khoảng 6-7cm. Sai số trung phương tương đối cạnh yếu đạt
1/200000.
Ở một số vùng đã hoàn thiện xây dựng và tính toán lưới hạng III, IV
đạt sai số 1/100000. Theo nhiều tài liệu đánh giá với sai số tương đối cạnh
yếu là 1/70000 thì lưới tọa độ Nhà nước ở các vùng này đáp ứng yêu cầu đo
vẽ bản đồ địa chính tỷ lệ 1/1000 thậm chí 1/500. Tuy nhiên, trong mạng lưới
có các điểm bị mất mát, hư hỏng, do đó mật độ điểm khống chế không đủ. Vì
vậy, khi đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, người ta phải xây dựng lưới tọa độ có mật độ

dày và có độ chính xác cao hơn lưới hiện thời. Việc đo vẽ bản đồ địa chính tỷ
lệ lớn hơn 1/500, 1/200 ở các đô thị rất phổ biến. Loại bản đồ này được đo vẽ
trong phạm vi diện tích rộng lớn hơn nhiều hơn so với loại bản đồ địa hình
cùng tỷ lệ. Mặt khác, bản đồ địa chính lại có những yêu cầu riêng về độ chính
xác vị trí, kích thước, nên nhìn chung lưới tọa độ Nhà nước hạng III, IV
không đáp ứng được yêu cầu về mật độ và độ chính xác làm cơ sở cho đo vẽ
bản đồ địa chính tỷ lệ 1/500 và 1/200. [6]
• Quá trình phát triển lưới tọa độ địa chính
Mặt bằng và độ cao Nhà nước của Việt Nam được xây dựng qua nhiều
giai đoạn, sử dụng nhiều phương pháp đo khác nhau.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác hạng I, hạng II ở miền Bắc được tiến
22
hành từ năm 1956 đến năm 1963, tính toán bình sai xong năm 1966. Lưới
tam giác đo góc hạng I được xây dựng dưới dạng tam giác dày đặc, lưới tam
giác hạng II được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp chêm điểm vào lưới
tam giác hạng I.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng I, khu vực Bình-Trị-Thiên
(nay là khu vực tỉnh Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế) được tiến
hành từ năm 1977 đến năm 1983.
Giai đoạn đo đạc lưới tam giác đo góc hạng II miền Trung, phương án
xây dựng là lưới tam giác hạng II dày đặc thay thế cho việc xây dựng lưới tam
giác hạng I và chêm lưới hạng II. Được xây dựng từ năm 1983 đến năm 1992
gồm 8 khu đo.
Giai đoạn đo đạc lưới đường chuyền hạng II khu vực Nam bộ được đo
đạc từ năm 1988 đến năm 1990.
Giai đoạn đo lưới GPS cạnh ngắn khu vực Minh Hải, Sông Bé, Tây
Nguyên được đo từ năm 1991 đế năm 1993. Đây là khu vực đo có nhiều
khó khăn.
Lưới mặt bằng Nhà nước hạng I, hạng II đã phủ trùm cả nước. Một số
nơi đã xây dựng được lưới mặt bằng hạng III, hạng IV. Nhưng cho đến nay số

điểm lưới mặt bằng hạng III, hạng IV đã bị hư hỏng khá nhiều.
Từ năm 1992 đến 1995, chúng ta đã đo lưới GPS cạnh dài phủ trùm
toàn quốc nối đất liền với hải đảo, đo lưới GPS cấp “0” để kiểm định các lưới
hạng I, hạng II mặt bằng đã xây dựng trước đây, đồng thời là phương tiện đo
nối tọa độ của Việt Nam với các lưới tọa độ trong khu vực và quốc tế. [7]
23
2.3 Lưới GPS
2.3.1 Khái niệm, nguyên tắc thiết kế lưới
2.3.1.1 Khái niệm về lưới GPS
Lưới GPS gồm các điểm được chôn trên mặt đất nơi ổn định hoặc bố trí
trên đỉnh các công trình vững chắc, kiên cố. Các điểm được liên kết với nhau
bởi các cạnh đo, nhờ các cạnh đo chúng ta sẽ tính toán xác định tọa độ, độ cao
của các điểm trong một hệ thống tọa độ thống nhất.
2.3.1.2 Nguyên tắc thiết kế [4]
Công tác thiết kế lưới phải tuân thủ theo các nguyên tắc sau:
- Lưới thiết kế phải đi từ tổng quát đến chi tiết, từ độ chính xác cao
đến độ chính xác thấp.
- Hệ thống lưới tọa độ cơ sở phải được xây dựng trên cơ sở các điểm
tọa độ Nhà nước cấp cao hơn.
- Lưới tọa độ cơ sở phải được nối vào ít nhất hai điểm cấp cao hơn và
gần khu đo nhất.
- Sai số số liệu gốc của lưới cấp trên ảnh hưởng đến cấp dưới kế cận
không được vượt quá 12%.
- Lưới thiết kế phải đảm bảo đủ mật độ điểm, phủ trùm khu đo, phục
vụ cho công tác đo vẽ bản đồ địa chính theo từng giai đoạn.
- Thường xuyên cập nhật, tiến hành nâng cao độ chính xác bằng cộng
nghệ và kỹ thuật đo tiến tiến.
- Trong quá trình thiết kế cố gắng chọn phương án tối ưu, giá thành rẻ,
dễ thi công, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong công tác đo vẽ theo từng
cấp hạng.

24
2.3.2 Cơ sở toán học của lưới địa chính
2.3.2.1 Lựa chọn mặt chiếu [12]
Việc thể hiện bề mặt trái đất lên mặt phẳng cần phải có một cơ sở toán
học nhằm thể hiện chính xác và ít bị biến dạng khi khai triển.
-Mặt Geoid trái đất có kích thước và hình dạng phức tạp không thể
hiện nó bằng một mặt toán học được nên ta phải có một bề mặt chuẩn nào đó
để so sánh mà cơ sở đặt ra là phải có tính ổn định.
-Trái đất chia làm hai phần: lục địa và hải đảo. Trong đó phần lục địa
chiếm 1/3 diện tích trái đất, là nơi con người sinh sống; là phần có địa hình,
địa vật và cấu tạo vật chất phức tạp cho nên không thể làm cơ sở để so sánh.
-Vì thế có nhiều ý tưởng chọn mặt đại dương là mặt cơ sở để so sánh,
vì bề mặt đại dương trơn láng, chiếm đại đa số diện tích Trái đất. Tuy nhiên
mặt nước biển không ổn định mà có biến động rất nhiều. Nhằm khắc phục
tính không ổn định của mực nước biển người ta xây dựng các trạm nghiệm
triều để đo mực nước biển, rồi lấy giá trị trung bình từng ngày so sánh người
ta thấy giá trị sai lệch cao, sau đó lấy giá trị trung bình theo tháng nhưng vẫn
chưa đạt yêu cầu, người ta tiếp tục so sánh giá trị trung bình theo từng năm.
Người ta nhận thấy nếu lấy theo chu kì 17,67 năm thì chỉ số sai lệch chỉ từ vài
mm đến vài cm, thoả mãn được yêu cầu đặt ra.
Khác mặt Geoid, một bề mặt khác đơn giản thể hiện được dưới dạng
phương trình toán học để thể hiện một cách gần đúng bề mặt trái đất dùng làm
cơ sở so sánh mặt bằng đó là mặt Ellipsoid.
-Ellipsoid tròn xoay có phương trình toán học:
1
2
2
2
2
2

2
=++
b
Z
a
Y
a
X
25