Đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng công nghệ rtk sử dụng trạm tham chiếu thường trực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

CAO VĂN TRUNG

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU THƯỜNG TRỰC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

CAO VĂN TRUNG

ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM THAM CHIẾU THƯỜNG TRỰC

Ngành: Kỹ thuật trắc địa - bản đồ
Mã số: 8520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Dương Thành Trung

Hà Nội – 2018

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất
kỳ một cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả

CAO VĂN TRUNG


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA GPS TRONG ĐO ĐẠC ....4
1.1. Khái quát về công nghệ GPS .............................................................................4
1.1.1.Các thành phần của GPS ....................................................................................5
1.1.2.Phần không gian .................................................................................................6
1.2. Phƣơng pháp đo GPS .......................................................................................11
1.2.1.Đo GPS tuyệt đối ..............................................................................................11

1.2.2.Đo GPS tương đối ............................................................................................12
1.3. Các nguồn sai số trong đo GPS .......................................................................20
1.3.1.Sai số phụ thuộc vào vệ tinh .............................................................................21
1.3.2.Sai số phụ thuộc vào mơi trường lan truyền tín hiệu .......................................23
1.3.3.Sai số liên quan tới máy thu .............................................................................24
1.4. Các ứng dụng GPS trong đo đạc bản đồ ........................................................26
1.4.1.Ứng dụng trong thành lập lưới khống chế tọa độ ............................................26
1.4.2.Ứng dụng trong đo vẽ chi tiết ..........................................................................27
1.4.3.Kết hợp GPS với các phương pháp khác trong đo đạc ....................................28
CHƢƠNG 2: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RTK TRẠM CORS
TRONG ĐO ĐẠC BẢN ĐỒ ...................................................................................29
2.1. Khái quát về công nghệ CORS........................................................................29
2.1.1.Khái niệm về công nghệ CORS .......................................................................29
2.1.2.Cấu trúc trạm CORS ........................................................................................29
2.1.3.Các kỹ thuật trạm CORS hiện có .....................................................................32
2.1.4.Tình hình ứng dụng cơng nghệ CORS trong đo đạc bản đồ ............................36
2.2. Các phƣơng án triển khai đo đạc địa chính bằng cơng nghệ CORS ..........43
2.2.1.Đối với các khu vực đo đạc tập trung ..............................................................43


iv
2.2.2.Đối với khu vực đo đạc phân tán .....................................................................44
2.3. Quy trình đo đạc sử dụng cơng nghệ CORS trong đo đạc địa chính..........45
2.3.1.Sơ đồ thực hiện .................................................................................................45
2.3.2.Thiết lập trạm CORS ........................................................................................45
2.3.3.Đo vẽ chi tiết ....................................................................................................48
2.3.4.Đo vẽ cập nhật biến động .................................................................................51
CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM CÔNG NGHỆ RTK SỬ DỤNG TRẠM
CORS ........................................................................................................................53
................................................................53

..........................................................................53
.....................................................................55
....................................................................................55
.............................................................56
3.2.3. Phân tích và đánh giá kết quả thử nghiệm ......................................................57
-CORS ..........................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ phân bố các vệ tinh GPS ...................................................................5
Hình 1.2: Sơ đồ 3 thành phần chính của hệ thống GPS ..............................................6
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tín hiệu GPS ........................................................................7
Hình 1.4: Các trạm ăng ten mặt đất.............................................................................8
Hình 1.5: Mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống vệ tinh các phương pháp
đo đạc bằng GPS .........................................................................................................9
Hình 1.6: Sơ đồ giao hội khơng gian từ 03 vệ tinh ...................................................10
Hình 1.7: Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng từ máy thu phát ra...................12
Hình 1.8: Sai phân bậc nhất ......................................................................................13
Hình 1.9: Sai phân bậc hai ........................................................................................14
Hình 1.10: Sai phân bậc ba .......................................................................................15
Hình 1.11: Sơ đồ phương pháp đo RTK ...................................................................19
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc trạm CORS ........................................................................30
Hình 2.2: Trạm tham chiếu trên mặt đất ...................................................................31
Hình 2.3: Trạm tham chiếu đặt trên nhà cao tầng .....................................................31
Hình 2.4: Sơ đồ truyển thơng tin tín hiệu ..................................................................32
Hình 2.5: Trạm tham chiếu ảo trong cơng nghệ CORS ............................................33

Hình 2.6: Thơng số hiệu chỉnh khu vực ...................................................................34
Hình 2.7: Kỹ thuật phối hợp trạm phụ trợ và trạm chính .........................................35
Hình 2.8: Nâng cao kỹ thuật trạm tham chiếu ảo .....................................................36
Hình 2.9: Kỹ thuật DEEP – NRS .............................................................................36
Hình 2.10: Sơ đồ phân bố trạm bố trạm CORS tại Mỹ .............................................37
Hình 2.11: Sơ đồ phân bố các trạm CORS tại Trung Quốc .....................................37
Hình 2.12: Sơ đồ phân bố trạm CORS tại Australia .................................................38
Hình 2.14: Sơ đồ phân bố trạm CORS tại Thái Lan ................................................39
Hình 2.15: Sơ đồ vị trí 17 trạm CORS đã xây dựng tại Việt Nam ...........................41
Hình 2.16: Sơ đồ phân bố một số trạm CORS tại Việt Nam ....................................42
Hình 2.17: Trạm CORS (SOUTH) của Trường Đại học Mỏ - Địa chất ...................43
Hình 2.18: Sơ đồ quá trình đo đo đạc sử dụng cơng nghệ CORS.............................45
Hình 2.19: Sơ đồ tính tốn vị trí trạm CORS với mạng lưới các điểm IGS lân cận


vi
...................................................................................................................................46
Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt trạm CORS ........................................................................47
Hình 2.21: Sơ đồ quy trình đo vẽ chi tiết bằng cơng nghệ CORS ............................49
Hình 3.1: Trạm tham chiếu hạng Leica trên tòa nhà 5 tầng trường Đại học Mỏ - Địa
Chất ...........................................................................................................................54
Hình 3.2: Thiết bị mạng (có IP tĩnh) .........................................................................54
Hình 3.3: Máy thu GNSS RTK có tên là AiNav-RTK .............................................55
Hình 3.4: Sơ đồ vị trí các khu vực thực nghiệm .......................................................55
Hình 3.5: Đồ thị sai số vị trí điểm trong quá trình thực nghiệm ...............................57
Hình 3.6: Đồ thị khoảng cách và thời gian trong quá trình thực nghiệm .................58


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thời gian đo kiến nghị ..............................................................................17
Bảng 1.2: Các nguồn sai số trong định vị vệ tinh .....................................................20
Bảng 1.3: Mức độ ảnh hưởng của nhiễu máy thu đến các tín hiệu GPS ..................26
Bảng 3.1: Kết quả đo nối lưới tọa độ nhà nước ........................................................56
...................................................................56


viii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
A/S: Anti Spoofing
C/A: Coarse/Acquisition
CORS: Continuosly Operating Reference Stations
DGPS: Differential Global Positioning System
ĐCCS: Địa chính cơ sở
FKP: Flächen Korrektur Parameter
GDOP: Geometry Dilution of Precision
GLONASS: Global Orbiting Navigation Satellite System
GNSS: Global Navigation Satellite System
GPRS: General Packet Radio Service
GPS: Global Positioning System
GIS: Geomatic Information System
HDOP: Horizotal Dilution of Precision
IGS: International GNSS Service
IP:

Internet Protocol

IRNSS: Indian Regional Navigation Satellite System

MAC: Master Auxiliary Corrections
OTF: On the fly
P code: Precision code
PDOP: Position Dilution of Precision
PPK Post - processed Kinematic
RTK Real Time Kinematic
SA

Selective Availability

TBC Trimble Bussiness Center
TDOP Time Dilution of Precision
VDOPVertical Dilution of Precision
VLAP Vietnam Land Administration Project
VRS Virtual Reference Station
WAN Wide area network
WGS-84 World Geodetic System 1984


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Cơng nghệ đo GPS động thời gian thực đã được ứng dụng rộng rãi trong
cơng tác đo đạc do độ chính xác cao, dễ sử dụng, linh hoạt trong quá trình đo
đạc, tiết kiệm nhân lực.
Ngày nay mạng lưới hệ thống các trạm tham chiếu thường trực (CORS)
đang được xây dựng và ứng dụng một cách rộng rãi, tiến tới phủ trùm trên
toàn quốc. Với mạng lưới này việc đo GNSS bằng cơng nghệ RTK có thể
được thực hiện ở mỗi nơi trên tồn quốc mà khơng cần sử dụng trạm cơ sở

cục bộ. Tuy nhiên độ chính xác và khả năng ứng dụng của phương pháp đo
RTK sử dụng mạng lưới trạm CORS trong thực tế sản xuất cần phải được
đánh giá một cách đầy đủ như sự ảnh hưởng của các yếu tố khoảng cách từ
máy đo đến các trạm CORS gần nhất, môi trường đo đạc, hạ tầng mạng
truyền dẫn dữ liệu.
Công nghệ CORS là một trong những phương pháp đo RTK động đã thể
hiện tính ưu việt so với phương pháp đo RTK sử dụng sóng radio truyền
thống do khắc phục được hạn chế về khoảng cách đo và khả năng truyền dữ
liệu cải chính. Nhiều nước, trong đó có Việt Nam đã từng bước ứng dụng và
phổ biến công nghệ này trong công tác đo đạc ngoại nghiệp bằng GPS.
Vì vậy, đề tài “Đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng cơng
nghệ RTK sử dụng trạm tham chiếu thường trực” là rất cần thiết để làm rõ
khả năng sử dụng hiệu quả đạt độ chính xác cao của phương pháp này trong
cơng tác Trắc địa bản đồ.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu, Đánh giá độ chính xác và khả năng ứng dụng cơng nghệ
RTK sử dụng trạm tham chiếu thường trực (CORS).
3. Nhiệm vụ của đề tài
- Tìm hiểu về cơng nghệ GNSS
- Nghiên cứu công nghệ đo RTK trong GNSS;


2
- Tìm hiểu về nguyên lý, khai thác sử dụng hệ thống trạm CORS;
- Đo đạc, thu thập dữ liệu thực địa sử dụng máy đo GNSS RTK có kết

nối trạm CORS;
- Xử lý số liệu và đánh giá độ chính xác của kết quả đo đạc.
- Phân tích khẳ năng ứng dụng của phương pháp đã đề xuất trong công

tác trắc địa bản đồ.
- Thử nghiệm triển khai đo đạc địa chính bằng cơng nghệ CORS tại một

số khu vực thành phố Hà Nội.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là ứng dụng công nghệ RTK trạm CORS trong

công tác Trắc địa bản đồ.
- Phạm vi nghiên cứu: Công tác trắc địa trong thi cơng cơng trình dân

dụng và cơng nghiệp.
5. Nội dung nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: Phân tích và tổng hợp tình

hình nghiên cứu liên quan đến nội dung của đề tài. Phân tích các quy định kỹ
thuật và các tư liệu hiện có để phát hiện vấn đề và định hướng giải quyết.
- Phương pháp trắc địa vệ tinh: sử dụng để xây dựng mạng lưới đo

GPS tĩnh để xác định thông số chuyển đổi tọa độ tại khu vực thực nghiệm.
- Phương pháp so sánh: so sánh kết quả đo đạc bằng các phương pháp

khác nhau để đánh giá điểm mạnh, điểm yếu của từng phương pháp.
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo kinh nghiệm thực tiễn của các

chuyên gia hoạt động trong lĩnh vực đo đạc, xử lý số liệu GPS.
- Phương pháp thử nghiệm thực tế: triển khai kiểm tra các giả thuyết, các

ý tưởng trong điều kiện thực tế.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Đưa ra được đánh giá tính khả thi của việc áp dụng công nghệ CORS

trong đo đạc thành lập bản đồ bằng GPS ở một số điều kiện đặc trưng của
từng khu vực Thành phố Hà Nội.


3
- Một số giải pháp nâng cao hiệu quả áp dụng công nghệ CORS trong đo

đạc thành lập bản đồ ở khu vực Thành phố Hà Nội.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận văn đã đánh giá được độ chính xác và khả năng ứng dụng của
phương pháp đo GNSS RTK sử dụng mạng lưới trạm CORS trong công tác
trắc địa bản đồ.
8. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc thành 03
Chương 1: Tổng quan về ứng dụng của GPS trong đo đạc.
Chương 2: Giải pháp sử dụng công nghệ RTK trạm Cors trong đo đạc
thành lập bản đồ.
Chương 3: Thử nghiệm công nghệ RTK sử dụng trạm CORS.


4

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA GPS
TRONG ĐO ĐẠC
1.1. Khái quát về công nghệ GPS
Sự ra đời của GPS
GPS là hệ thống định vị tồn cầu do chính phủ Mỹ thiết lập và giao cho
Bộ Quốc phòng Mỹ quản lý, sử dụng và khai thác. Mục đích ban đầu của việc
thành lập hệ thống là để áp dụng định vị trong các hoạt động của quân đội Mỹ

nhưng sau đó được mở rộng sang các ứng dụng dân sự.
Hệ thống được khởi động từ đầu những năm 1970 trên cơ sở thống nhất
02 dự án định vị vệ tinh của lực lượng không quân Mỹ (dự án 621B) và lực
lượng hải quân Mỹ (TIMATION). Những vệ tinh đầu tiên của hệ thống đã
được đưa lên quỹ đạo vào năm 1978. Đến năm 1993, 24 vệ tinh đã được
phóng lên trên 6 quỹ đạo quanh Trái đất để đảm bảo có thể định vị bất kỳ vị
trí nào trên mặt đất tại các thời điểm trong ngày. Đến năm 1995, hệ thống
được hoàn thành cả về điều khiển, khai thác và sử dụng [5].
Từ năm 1995 đến nay, hệ thống tiếp tục được phát triển bằng cách thay
thế các vệ tinh đã hết hạn sử dụng, bổ sung thêm các vệ tinh để nâng cao độ
chính xác và tính dự phịng của hệ thống.
Ngồi hệ thống GPS của Mỹ, cịn có hệ thống GLONASS của Nga, hệ
thống GALILEO của Liên minh Châu Âu, hệ thống COMPASS (Beidou) của
Trung Quốc, và hệ thống IRNSS của Ấn Độ [5].
Tại Việt Nam, từ những năm 1990, Cục Đo đạc và Bản đồ đã bắt đầu
ứng dụng GPS trong lĩnh vực xây dựng hệ thống lưới tọa độ Quốc gia, đặc
biệt là xây dựng mạng lưới cấp 0 phủ trùm toàn quốc làm cơ sở cho việc xây
dựng hệ tọa độ Nhà nước VN-2000 và phát triển các mạng lưới cấp thấp. Đến
năm 2004, nước ta đã xây dựng hoàn thiện mạng lưới địa chính cơ sở phủ


5

trùm tồn quốc bằng cơng nghệ GPS làm cơ sở cho việc đo đạc, lập bản đồ
địa chính theo hệ tọa độ thống nhất VN-2000.
Những năm gần đây, trong lĩnh vực đo đạc bản đồ GPS ngày càng được
ứng dụng rộng rãi và phổ biến hơn. Ngoài việc ứng dụng để đo đạc các mạng
lưới khống chế, GPS còn được ứng dụng trong việc đo vẽ chi tiết, thành lập
các bản đồ chuyên đề. Trong lĩnh vực đo đạc bản đồ địa chính, việc ứng dụng
cơng nghệ GPS đã góp phần đẩy nhanh tiến độ đo đạc bản đồ địa chính trên

tồn quốc.

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố các vệ tinh GPS
1.1.1. Các thành phần của GPS
GPS là hệ thống tổng hợp của 3 thành phần chính:
- Phần khơng gian;
- Phần điều khiển;
- Phần sử dụng.


6

Hình 1.2: Sơ đồ 3 thành phần chính của hệ thống GPS
1.1.2. Phần không gian
1. Các vệ tinh:
Theo thiết kế ban đầu, hệ thống bao gồm 24 vệ tinh bay trên 6 quỹ đạo
gần tròn xung quanh Trái đất sao cho có thể quan sát được tối thiểu 4 vệ tinh
tại bất cứ đâu và trong bất cứ thời điểm nào. Các vệ tinh được đặt trên các quỹ
đạo trung bình so với trái đất (MEO), có độ cao xấp xỉ 20.200 km, góc
nghiêng so với mặt phẳng xích đạo xấp xỉ 550 tương ứng với bán trục lớn có
giá trị 26.560 km. Mỗi vệ tinh cần 11 giờ 58 phút 2 giây để hồn thành 1 vịng
quay quanh Trái Đất. Hệ thống thời gian tham chiếu của hệ thống GPS đồng
bộ với hệ thống giờ UTC (USNO) với độ lệch được giữ ở mức 25ns. Tọa độ
của các vệ tinh GPS được tính trong hệ tọa độ WGS-84Các chức năng chính
của hệ thống bao gồm:
- Nhận và lưu trữ dữ liệu được phát từ phần điều khiển;
- Cung cấp thời gian chính xác thơng qua các đồng hồ ngun tử;
- Phát tín hiệu cho phần sử dụng theo tần số L1, L2.
2. Tín hiệu từ vệ tinh GPS
Tín hiệu vệ tinh phát ra từ vệ tinh gồm 03 thành phần:

- Sóng tải;


7
- Mã giả ngẫu nhiên;
- Thông báo định vị.
* Các sóng tải:

Nhiệm vụ của sóng tải là dùng để chuyển tải mã đo khoảng cách và các
thông báo định vị, gồm 02 sóng trong dải tần L là L1 (tần số 1575,42 Mhz) và
L2 (tần số 1227,60 Mhz);
Ngồi sóng L1, L2, các vệ tinh khối IIF và khối III còn phát sóng L5 (tần
số 1176 Mhz).
* Mã giả ngẫu nhiên:
Mã giả ngẫu nhiên được sử dụng để đo khoảng cách từ vệ tinh tới máy
thu, gồm mã C/A code và P code (hoặc Y code).
Mã C/A code được phát ở tần số 1023 Mhz, dùng để điều biến tần số L1
theo chu kỳ lặp lại 1ms.

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc tín hiệu GPS
Mã P-code được phát ở tần số 10,23 Mhz, có chu kỳ lặp lại 266,4 ngày
(tương ứng lặp lại với mỗi vệ tinh 01 tuần). P-code điều biến cả 02 sóng L1,
L2. Khi chế độ A/S được bật lên thì P-code chuyển sang Y-code và người
dùng dân sự không dùng được.
1.1.2.1. Phần điều khiển
Phần điều khiển của các hệ thống vệ tinh bao gồm các trạm được xây


8

dựng trên mặt đất với các mục đích như sau:
- Để kiểm sốt và duy trì hoạt động của các hệ thống vệ tinh.
- Tính tốn quỹ đạo (lịch vệ tinh) và sai số đồng hồ của các vệ tinh. Quỹ
đạo của các vệ tinh sau khi tính tốn sẽ được trạm điều khiển trung tâm gửi
lên các vệ tinh để vệ tinh phát tới người sử dụng.
- Duy trì hệ thống thời gian GNSS (thông qua các đồng hồ nguyên tử).
Hiện tại, phần điều khiển bao gồm:
- 01 trạm điều khiển chính (Master Control Station) đặt tại Colorado
(Mỹ) có chức năng thu nhận các thông tin đạo hàng từ các trạm điều khiển
khác, tổng hợp, tính tốn xác định vị trí chính xác các vệ tinh trong khơng
gian và gửi dữ liệu này tới các vệ tinh. Đây cũng là trạm ra lệnh điều khiển hệ
thống như đường bay vệ tinh, thay thế vệ tinh, bật/tắt chế độ mã hóa…
- 01 trạm điều khiển dự phịng cho trạm chính (Alternate Master Control
Station) đặt tại California (Mỹ) có chức năng dự phịng cho trạm điều khiển
chính.
- 16 trạm điều khiển (Monitor station): có 10 trạm của Cơ quan tình báo
địa không gian Mỹ (NGA- National Geospatial-Intellegence Agency) và 06
của Không lực Mỹ (Air Force). Chức năng của các trạm điều khiển là theo
dõi các vệ tinh trong tầm quan sát, thu thập và chuyển các thông tin từ vệ tinh
vệ trạm chính.
- 04 trạm ăng ten mặt đất (Ground antenna) dùng để tải dữ liệu lên các vệ
tinh (lịch vệ tinh, số hiệu chỉnh đồng hồ và các lệnh điều khiển từ trạm chính).

Hình 1.4: Các trạm ăng ten mặt đất


9

1.1.2.2. Phần sử dụng
Phần sử dụng bao gồm:

- Phần cứng: các thiết bị thu tín hiệu vệ tinh phục vụ các mục đích khác

nhau như đo đạc, dẫn đường…;
- Phần mềm: phục vụ người sử dụng xác định các thông tin định vị cần

thiết;
- Các thao tác, thủ tục thực hiện.

Các thiết bị phần sử dụng rất đa dạng do phục vụ nhiều mục đích sử
dụng khác nhau của GPS. Các thiết bị thường được phân loại theo loại trị đo
mà chúng có thể thực hiện được:
- Các máy thu GPS để định vị trong dân sự, sử dụng phương pháp đo mã

C/A-code ở tần số L1;
- Các máy đo GPS để định vị trong quân sự, sử dụng phương pháp đo mã

C/A-code và P-code ở cả 02 tần số L1 và L2;
- Các máy đo pha một tần (L1);
- Các máy đo pha 2 tần số L1 và L2.

Bao gồm các máy thu GNSS hoạt động với tất các mục đích khác
nhau. Mối quan hệ giữa ba phần nói trên được cho trong Hình 4.1.

Hình 1.5: Mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống vệ tinh
Các phương pháp đo đạc bằng GPS
Tùy theo nhu cầu sử dụng và độ chính xác cần đạt được, có thể lựa chọn


10

các phương pháp đo đạc GPS khác nhau. Cụ thể là [3]:
- Định vị độc lập (Autonomous Navigation): thường sử dụng trong du

lịch, hàng khơng, hàng hải do độ chính xác không cao (15-20m) nhưng tiện
lợi, đơn giản;
- Đo GPS phân sai DGPS (Differential Global Positioning System): sử

dụng trạm cố định để xác định số hiệu chỉnh cho máy thu di động. Độ chính
xác đạt 0,5-5,0m. Thường được sử dụng trong hàng hải ven bờ và đo đạc độ
chính xác thấp;
- Đo pha (Phase Measurement): Sử dụng đo pha sóng tải L1, L2. Độ

chính xác đạt tới 1-20mm nên thích hợp với đo đạc địa chính.
Phương pháp định vị độc lập:
- Định vị độc lập được xác định trên cơ sở đo mã C/A-code hoặc P-code.

Nguyên lý của phương pháp dựa trên cơ sở phương pháp giao hội thuận trong
không gian: có thể xác định vị trí của điểm đo nếu biết trước khoảng cách từ
điểm đo tới ít nhất 3 vệ tinh [3].

Hình 1.6: Sơ đồ giao hội khơng gian từ 03 vệ tinh
- Do có sai lệch giữa đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu nên ngồi việc

xác định các thơng số tọa độ XYZ cần xác định bổ sung giá trị sai lệch này.
Vì vậy, cần tối thiểu 04 vệ tinh để xác định vị trí của điểm đo trong định vị
độc lập.


11

1.2. Phƣơng pháp đo GPS
1.2.1. Đo GPS tuyệt đối
Đo GPS tuyệt đối là trường hợp sử dụng máy thu GPS để xác định ngay
ra tọa độ của điểm quan sát trong hệ thống WGS-84. Đó có thể là các thành
phần tọa độ vng góc khơng gian (X, Y, Z) hoặc các thành phần tọa độ mặt
cầu (B, L, H).
Việc đo GPS tuyệt đối được thực hiện trên cơ sở sử dụng đại lượng đó là
khoảng cách giả từ vệ tinh đến máy thu theo nguyên tắc giao hội không gian
từ các điểm có tọa độ đã biết là các vệ tinh.
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 khơng gian đơn trị của máy thu. Song trên thực tế
cả đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu đều có sai số, nên các khoảng cách đo
được khơng phải là khoảng cách chính xác. Kết quả là chúng không thể cắt
nhau tại một điểm, nghĩa là khơng 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 một vệ tinh thứ 4. Để thấy rõ điều này ta viết thêm một hệ
gồm 4 phương trình dạng:

(1.1)

Tại một trạm máy, công tác quan trắc được tiến hành đồng thời nên
thành phần Δt chỉ còn là ảnh hưởng của sai số đồng hồ máy thu. Do đó, bằng
cách đo khoảng cách giả đồng thời tới 4 vệ tinh, ta sẽ xác định được 4 ẩn số
(X, Y, Z) là các thành phần tọa độ của máy thu (điểm xét) theo tọa độ WGS84 và sai số đồng hồ máy thu Δt.
Vậy là, bằng cách đo khoảng cách giả đồng thời từ 4 vệ tinh đến máy thu


12

ta có thể xác định được tọa độ tuyệt đối của máy thu. Ngồi ra cịn xác định
được thêm số hiệu chỉnh do đồng hồ (thạch anh) của máy thu nữa.
Quan sát đồng thời 4 vệ tinh là yêu cầu tối thiểu cần thiết để xác định tọa
độ không gian tuyệt đối của điểm quan sát. Tuy nhiên, nếu máy thu được
trang bị đồng hồ với độ chính xác cao thì khi đó chỉ cịn 3 ẩn số là 3 thành
phần tọa độ điểm quan sát. Để xác định chúng ta chỉ cần quan sát đồng thời 3
vệ tinh.
1.2.2. Đo GPS tƣơng đối
Đo GPS tương đối là trường hợp sử dụng 2 máy thu GPS đặt ở hai điểm
quan sát khác nhau để xác định ra hiệu tọa độ vuông góc khơng gian (ΔX,
ΔY, ΔZ) hay hiệu tọa độ mặt cầu (ΔB, ΔL, ΔH) 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 pha là pha của sóng tải. Để đạt được độ chính xác cao và rất cao cho
kết quả xác định hiệu tọa độ (hay vị trí tương hỗ) 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 của các nguồn sai số khác nhau như: sai số của đồng hồ trên vệ
tinh cũng như trong máy thu, sai số của tọa độ vệ tinh, số nguyên đa trị …
Để loại trừ ảnh hưởng của một số nguồn sai số chung đối với các trị đo,
sử dụng các sai phân (hiệu) của các trị đo. Có ba loại hiệu trị đo:

Hình 1.7: Độ lệch pha giữa sóng từ vệ tinh và sóng từ máy thu
phát ra


13

ΦJ1(ti)

J
ΦJ1(ti)

ΦJ2(ti)

1

2

Hình 1.8: Sai phân bậc nhất
Hiệu bậc 1 của các trị đo là hiệu của các trị đo từ một vệ tinh k tới hai
máy thu i1 và i2. Kí hiệu hiệu bậc 1 là SD (Single Difference) ta có:
- Hiệu bậc 1 của các trị đo khoảng cách giả theo mã:
k
k
k
SDi1,i2
(R(j)) = ρi2
- ρi1
- cδt i2 + cδt i1 + dδion (j) + dδtrop + dεc

(1.2)

- Hiệu bậc 1 của các trị đo pha sóng tải:
k
SDi1,i2
(λ j (j)) = ρi2k - ρi1k - cδt i2 + cδt i1 + λ jNi2k (j) - λ jNi1k (j) - dδion (j) + dδtrop + dε p

(1.3)

- Hiệu bậc 1 của các trị đo Doppler:
k
SDi1,i2
(D(j))

k
k
d δt i2 - δt i1
ρi2
- ρi1
=
- fj
+ dε d
λj
dt

(1.4)

Trong đó:
ρi1k và ρi2k là khoảng cách hình học từ vệ tinh k tới máy thu i1 và máy thu

i2;
ρi1k và ρi2k là vận tốc thay đổi khoảng cách từ vệ tinh k tới máy thu i1 và

máy thu i2 ;
j

là bước sóng của sóng tải thứ j;

c là vận tốc truyền sóng ánh sáng trong mơi trường chân khơng;

d ion là ảnh hưởng cịn lại của tầng điện ly đối với “trị đo” hiệu bậc 1;
d trop là ảnh hưởng còn lại của tầng đối lưu đối với “trị đo” hiệu bậc 1;
fj là tần số của sóng tải thứ j.


14

Với việc lấy hiệu bậc 1, sai số đồng hồ vệ tinh đã được loại trừ. Ngoài ra,
ảnh hưởng của các nguồn sai số khác cũng được giảm thiểu.
Nếu xét trạm 2 tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, K vào thời
điểm ti ta sẽ có sai phân bậc 2:

J

1

k

2

Hình 1.9: Sai phân bậc hai
Hiệu trị đo bậc 2 là hiệu của các trị đo từ hai máy thu tới hai vệ tinh
trong cùng một thời điểm hay chính là hiệu của hai hiệu trị đo bậc 1.
- Hiệu bậc 2 của các trị đo khoảng cách giả theo mã:
k1,k2
k2
k2
k1
k1
DDi1,i2

(R(j)) = ρi2
- ρi1
- ρi2
+ ρi1
+ ddδion (j) + ddδtrop + ddεc

(1.5)

- Hiệu bậc 2 của các trị đo pha sóng tải:
k1,k2
k2
k2
k1
k1
k2
k2
DDi1,i2
(λ jΦ(j)) = ρi2
- ρi1
- ρi2
+ ρi1
+ λ j (Ni2
(j) - Ni1
(j)
k1
k1
- Ni2
(j) + Ni1
(j)) - ddδion (j) + ddδ trop + ddε c

(1.6)

- Hiệu bậc 2 của các trị đo doppler:
k1,k2
DDi1,i2
(D(j)) =

k2
k2
k1
k1
ρi2
- ρi1
- ρi2
+ ρi1
+ ddε d
λj

(1.7)

Trong đó:
dd

ion

là phần ảnh hưởng cịn lại của tầng điện ly sau khi lấy hiệu bậc

2 của các trị đo;
dd

trop

là phần ảnh hưởng còn lại của tầng đối lưu sau khi lấy hiệu bậc

2 của các trị đo.
Các kí hiệu khác tương tự như đã giải thích trong phần hiệu bậc 1 của
các trị đo.


15

Hiệu bậc 2 đã loại trừ được sai số đồng hồ máy thu, sai số đồng hồ vệ
tinh. Ảnh hưởng của các nguồn sai số khác đối với trị đo tiếp tục được giảm
thiểu so với hiệu bậc 1. Phương trình hiệu bậc 2 là phương trình cơ bản khi xử
lý số liệu GNSS. Thơng thường, khi giải bài tốn định vị tương đối, sử dụng
phương trình hiệu bậc 2 để lập các phương trình số hiệu chỉnh.
Nếu xét hai trạm tiến hành quan sát đồng thời hai vệ tinh J, K vào các
thời điểm ti, ti+1 ta sẽ có sai phân bậc 3:
J(ti+1)

k(ti)
J(ti+1)

J(ti)

1

2

Hình 1.10: Sai phân bậc ba

Hiệu bậc 3 của các trị đo là hiệu của các trị đo giữa hai máy thu tới hai
vệ tinh trong hai thời điểm liên tiếp nhau hay là hiệu của hai hiệu trị đo bậc 2.
- Hiệu bậc 3 của các trị đo khoảng cách giả theo mã:
k1,k2
k2
k2
k1
k1
TDi1,i2
(R(j,t1,t2) = ρi2
(t2) - ρi1
(t2) - ρi2
(t2) + ρi1
(t2) - ρik22 (t1)
k2
k1
k1
+ ρi1
(t1) + ρi2
(t1) - ρi1
(t1) + tdε c

(1.8)

- Hiệu bậc 3 của các trị đo pha sóng tải:
k1,k2
k2
k2
k1
k1

TDi1,i2
(λ j (j,t1,t2) = ρi2
(t2) - ρi1
(t2) - ρi2
(t2) + ρi1
(t2) - ρik22 (t1)

+

k2
ρi1
(t1)

+

k1
ρi2
(t1)

-

k1
ρi1
(t1)

+ N + tdε c

(1.9)

- Hiệu bậc 3 của các trị đo Doppler:

k1,k2
TDi1,i2
(D(j,t1,t2)

k2
k2
k1
k1
ρi2
(t2) - ρi1
(t2) - ρi2
(t2) + ρi1
(t2)
=
λj

k2
k1
k1
ρ k2 (t1) - ρi1
(t1) - ρi2
(t1) + ρi1
(t1)
- i2
+ tdε d
λj

(2.0)

Dựa vào quan hệ của các trạm đo trong thời gian đo mà người ta chia

phương pháp đo GPS tương đối thành các dạng: