Công nghệ GPS động và khả năng ứng dụng trong công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam

Bộ Giáo dục và Đào tạo
Tr-ờng Đại học Mỏ - Địa chất

-------------------------


Vũ Tiến Quang




Công nghệ GPS động và khả năng ứng dụng trong
công tác đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt Nam.
Chuyên ngành : Trắc địa
Mã số : 2.16.00


luận văn thạc sĩ kỹ thuật

ng-ời h-ớng dẫn khoa học:

TS. Đặng Nam Chinh


Hà Nội năm 2002

id2910865 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! -
2

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan nội dung đề tài này là những kết qủa nghiên cứu,
những ý t-ởng khoa học tôi tổng hợp từ công trình nghiên cứu, các công tác
thực nghiệm, các công trình sản xuất do tôi trực tiếp tham gia thực hiện.





















3

mục Lục
t
rang
Trang phụ bìa 1

Lời cam đoan 2
Mục lục 3
Danh mục các bảng 3
Danh mục các hình 5
mở đầu: 6
Ch-ong 1. Lý thuyết chung về công nghệ GPS 10
1.1 Vài nét về lịch sử phát triển 10
1.2 Cấu trúc hệ thống GPS 11
1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 16
1.4 Các trị đo GPS 20
1.5 Nguyên lý định vị GPS 24
1.6 Các nguồn sai số trong đo GPS 29
1.7 Những kỹ thuật đo GPS 33
1.8 Toạ độ và hệ quy chiếu 39
Ch-ơng 2. Nguyên lý đo GPS động 42
2.1 Nguyên lý chung về đo GPS động 42
2.2 Thiết bị đo GPS động 45
Ch-ơng 3. nghiên cứu độ chính xác ph-ơng pháp đo
GPS động 49
3.1 Đo kiểm định ph-ơng pháp đo GPS RTK 50
3.2 Đo kiểm định ph-ơng pháp đo GPS PPK 55
Ch-ơng 4. bản đồ tỷ lệ lớn 64
4.1 Những khái niệm chung 64
4

4.2 Yêu cầu kỹ thuật của bản đồ tỷ lệ lớn 65
4.3 Quy trình thành lập bản đồ tỷ lệ lớn 66
Ch-ơng 5. Qui trình đo và xử lý số liệu đo GPS động 69
5.1 Công tác chẩn bị 69
5.2 Thiết lập trạm đo 70

5.3 Thủ tục khởi đo 73
5.4 Đo đạc tại thực địa 74
5.5 Giao diện thiết bị đo và phần mềm trút số liệu 77
5.6 Xử lý số liệu đo trên các phần mềm chuyên dụng. 78
5.7 Đo GPS RTK trên khu đo thử nghiệm 81
Ch-ơng 6. khảnăng ứng dụng ph-ơng pháp đo
GPS động 85
kết luận và kiến nghị 89
danh mục các công trình của tác giả 90
tài liệu tham khảo 90
phụ Lục









5

danh mục các bảng
Bảng 1. 1 Các vệ tinh của hệ thống GPS.
Bảng 1. 2 Bảng thống kê nguồn lỗi trong đo GPS và biện pháp khắc phục.

Bảng 1. 3 Bảng tổng hợp về các ph-ơng pháp đo GPS.
Bảng 3. 1 Kết quả đo GPS RTK tại bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy
4600LS tháng 9-1999.
Bảng 3. 2 Kết quả đo GPS RTK tại bãi chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy

4800 tháng 5-2000.
Bảng 3. 3 Sai số tại các điểm quy chuẩn khu đo Hoà Lạc.
Bảng 3. 4 Toạ độ và sai số tại các điểm đo kiểm tra khu đo Hoà Lạc.
Bảng 3. 5 Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ph-ơng pháp GPS PPK trên bãi
chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4600LS tháng 5-2000.
Bảng 3. 6 Bảng tổng hợp kết quả kiểm tra ph-ơng pháp GPS PPK trên bãi
chuẩn Xuân Đỉnh sử dụng máy 4800 tháng 5-2000.
Bảng 3. 7 Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 11607 - khoảng cách
11,27km sử dụng máy thu 4600 LS theo 2 ph-ơng án Fixed.
Bảng 3. 8 Kết quả đo kiểm tra trên điểm khống chế 10451 - khoảng cách
10,26km sử dụng máy thu 4800 theo 2 ph-ơng án Fixed.
Bảng 4. 1 Sai số về toạ độ cho phép với bản đồ địa hình tỷ lệ lớn.
Bảng 4. 2 Sai số về độ cao với bản đồ địa hình tỷ lệ lớn.
danh mục các hình vẽ
Hình 1. 1 Sơ đồ quỹ đạo vệ tinh hệ thống GPS.
Hình 1. 2 Vệ tinh khối II hệ thống GPS.
Hình 1. 3 Sơ đồ Đoạn Điều Khiển của hệ thống GPS.
Hình 1. 4 Sơ đồ truyền tí hiệu của Đoạn Điều Khiển của hệ thống GPS.
Hình 1. 5 Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS.
Hình 1. 6 Trị đo pha và số nguyên đa trị.
6

Hình 1. 7 Sơ đồ nguyên lý định vị điểm đơn.
Hình 1. 8 Sơ đồ mô tả sai phân bậc một.
Hình 1. 9 Sơ đồ mô tả sai phân bậc hai.
Hình 2. 1 Máy thu 4800 và các thiết bị đo GPS RTK.
Hình 2. 2 Máy thu 4600LSvà hệ thống Radio Link Trimtalk 900.
Hình 2. 3 Thiết bị điều khiển TSC1 vr. 7.5.
Hình 3. 1 Sơ đồ l-ới thử nghiệm đo GPS PPK.
Hình 4. 1 Sơ đồ quy trình đo, xử lý số liệu đo GPS RTK.

7

Mở ĐầU
Hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) là hệ thống
định vị, dẫn đ-ờng sử dụng các vệ tinh nhân tạo đ-ợc Bộ Quốc Phòng Mỹ
triển khai từ những năm đầu thập kỷ 70. Ban đầu hệ thống này đ-ợc dùng cho
mục đích quân sự nh-ng sau đó đã đ-ợc th-ơng mại hoá, đ-ợc ứng dụng rất
rộng rãi trong các hoạt động kinh tế, xã hội và đặc biệt đối với ngành trắc
địa bản đồ thì đây là cuộc cách mạng thực sự về cả kỹ thuật, chất l-ợng cũng
nh- hiệu quả kinh tế trên phạm vi toàn thế giới nói chung và ở Việt Nam nói
riêng.
Cùng với thời gian, công nghệ GPS ngày càng phát triển hoàn thiện
theo chiều h-ớng chính xác, hiệu quả và thuận tiện hơn. Với mục tiêu nghiên
cứu một nhánh phát triển mới công nghệ GPS trong lĩnh vực trắc địa bản đồ,
tôi đã đề xuất và đ-ợc phép tiến hành nghiên cứu đề tài Công nghệ GPS
động và khả năng ứng dụng trong đo công tác vẽ bản đồ tỷ lệ lớn tại Việt
Nam.

Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống định vị GPS đã đ-ợc công nhận và sử dụng rộng rãi nh- một
công nghệ tin cậy, hiệu quả trong trắc địa bản đồ bởi các tính -u việt sau:
1. Có thể xác định toạ độ của các điểm từ điểm gốc khác mà không
cần thông h-ớng.
2.
Độ chính xác đo đạc ít phụ thuộc vào điều kiện thời tiết (có thể đo
trong mọi điều kiện thời tiết).
3.
Việc đo đạc toạ độ các điểm rất nhanh chóng, đạt chính xác cao, ở vị trí
bất kỳ trên trái đất.
4.
Kết quả đo đạc có thể tính trong hệ toạ độ toàn cầu hoặc hệ toạ độ địa
ph-ơng bất kỳ.
5.
Kết quả đo ở dạng file số liệu (digital file) nên dễ dàng nhập vào các
phần mềm đo vẽ bản đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu.
8

Với những tính năng -u việt, ngay từ nhũng năm đầu thập kỷ 90 công
nghệ GPS nhanh chóng chiếm lĩnh vị trí quan trọng trong công tác lập l-ới
khống chế trắc địa ở Việt Nam sử dụng kỹ thuật đo GPS tĩnh. Những năm
gần đây, do tiến bộ nhanh về kỹ thuật xử lý số liệu, công nghệ chế tạo thiết bị
ngày càng hoàn thiện nên kỹ thuật đo GPS động đã và đang đ-ợc ứng dụng
rộng rãi trên toàn thế giới do ph-ơng pháp này những -u điểm đặc biệt. ở
Việt Nam, trong những năm gần đây một số thiết bị đo GPS động đã đ-ợc
nhập và thử nghiệm ở một số cơ quan nghiên cứu. Để có những kết luận khoa
học về ph-ơng pháp đo GPS động thì việc nghiên cứu ứng dụng trong đo vẽ
bản đồ tỷ lệ lớn, đề xuất quy trình công nghệ là việc cần thiết phải tiến hành
để có cơ sở triển khai ứng dụng một cách phổ biến ở Việt Nam.

Đối t-ợng, phạm vi nghiên cứu

Từ những nghiên cứu chung về hệ thống GPS, những kỹ thuật định vị,
đề tài này sẽ nghiên cứu chi tiết các kỹ thuật đo GPS động sử dụng các thiết
bị đo GPS động mới đ-ợc nhập. Kết quả nghiên cứu cần phải xác định đ-ợc
về độ chính xác đạt đ-ợc của tthiết bị trong điều kiện thực tế của Việt Nam,
so sánh với các công nghệ truyền thống để rút ra những kết luận khoa học, từ
đó đề xuất quy trình công nghệ áp dụng kỹ thuật đo GPS động cụ thể cho
việc áp dụng kỹ thuật đo GPS động ở các cơ sở sản xuất trắc địa bản đồ.
ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Thông qua việc nghiên cứu lý thuyết, các kết quả thực nghiệm, các
công trình sản xuất thực tiễn của đề tài này, tác giả mong muốn thể hiện các
vấn đề sau:
1. Công nghệ GPS là công nghệ mới, khác biệt, làm thay đổi hẳn quan
niệm về việc đo đạc trong công tác trắc địa bản đồ.
2. Đo GPS động là b-ớc phát triển mới của công nghệ GPS cho phép đo
đạc chi tiết bỏ qua công đoạn lập l-ới khống chế cơ sở, có độ chính xác đạt
9

yêu cầu kỹ thuật đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn, có những tính năng -u việt so với
ph-ơng pháp đo vẽ bản đồ truyền thống.
3. Đo GPS động là ph-ơng pháp đo đạc khoa học, đáp ứng yêu cầu của
công tác tự động hoá đo vẽ bản đồ, phù hợp với việc tổ chức, quản lý số liệu
trong các hệ thống quản trị dữ liệu trong máy tính.
4. Đo GPS động kết hợp với các ph-ơng pháp đo vẽ truyền thống tạo đ-ợc
hiệu quả kinh tế cao trong đo vẽ bản đồ tỷ lệ lớn ở Việt Nam.
Với những tính năng -u việt, kỹ thuật đo GPS động là ph-ơng pháp mới
áp dụng không chỉ tốt trong ngành Địa Chính mà còn với các cơ quan có chức
năng khảo sát, đo đạc khác trong các ngành Giao thông, Thuỷ lợi, Xây dụng,
Nông nghiệp...

Bản luận văn này đ-ợc hoàn thành d-ới sự h-ớng dẫn khoa học của
tiến sĩ Đặng Nam Chinh khoa Trắc Địa - tr-ờng đại học Mỏ - Địa Chất, đồng
thời đ-ợc sự hỗ trợ tích cực của Viện Nghiên Cứu Địa Chính và các đồng
nghiệp trong việc tổ chức triển khai nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm tiến
sĩ Đặng Nam Chinh, tr-ờng đại học Mỏ - Địa Chất, Viện Nghiên Cứu Địa
Chính cùng các đồng nghiệp và mong nhận đ-ợc những ý kiến đóng góp về
đề tài.










10

Ch-ơng I: lý thuyết chung về công nghệ gps
1.1 vài nét về Lịch sử phát triển
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 ch-ơng trình nghiên cứu,
phát triển hệ thống dẫn đ-ờng và định vị chính xác bằng vệ tinh nhân tạo. Hệ
thống định vị dẫn đ-ờng 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
đ-ợc sử dụng trong th-ơng mại vào năm 1967. Một thời gian ngắn sau đó
TRANSIT bắt đầu ứng dụng trong trắc địa. Việc thiết lập mạng l-ới 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 cỡ 1m. Do vậy trong trắc địa hệ TRANSIT chỉ phù hợp với công
tác xây dựng các mạng l-ới khống chế cạnh dài. Nó không thoả mãn đ-ợc các
ứng dụng đo đạc thông dụng nh- 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) 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 đ-ợc nâng cao về chất so với hệ
TRANSIT. Nh-ợc điểm về thời gian quan trắc đã đ-ợc 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 ữ 1985 có 11
vệ tinh Block I đã đ-ợc phóng lên quỹ đạo. Hiện nay hầu hết số vệ tinh thuộc
Block I đã hết thời hạn sử dụng. Việc phóng vệ tinh thế hệ thứ II (BlockII)
11

bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này 24 vệ tinh này đã triển khai trên 6
quĩ 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 (20.200 km). Loại vệ tinh bổ sung thế hệ III
(Block IIR) đ-ợc thiết kế thay thế những vệ tinh Block II đầu tiên bắt đầu
phóng vào năm 1995. Cho đến nay đã có 27 vệ tinh của hệ thống GPS đang
hoạt động trên đạo.
Cùng có tính năng t-ơng tự với hệ thống GPS đang hoạt động còn có hệ
thống GLONASS của Nga (nh-ng không th-ơng mại hoá rộng rãi) và một hệ
thống t-ơng lai sẽ cạnh thị tr-ờng với hệ thống GPS là hệ thống GALIEO của
Cộng Đồng Châu Âu.
ở Việt Nam, ph-ơng pháp định vị vệ tinh đã đ-ợc 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 đã lập xong l-ới khống chế ở những vùng đặc biệt khó
khăn mà từ tr-ớc đến nay ch-a có l-ới khống chế nh- Tây Nguyên, Th-ợng
Nguồn Sông Bé, Cà Mau. Những năm sau đó công nghệ GPS đẫ đóng vai trò
quyết định trong việc đo l-ới cấp "0" lập hệ quy chiếu Quốc gia mới cũng
nh- việc lập l-ới khống chế hạng III phủ trùm lãnh thổ (gần 30000 điểm) và
nhiều l-ới khống chế cho các công trình dân dụng khác[4].
Những ứng dụng sớm nhất của GPS trong trắc địa bản đồ là trong công
tác đo l-ới khống chế. Hiện nay hệ thống GPS vẫn đang phát triển ngày càng
hoàn thiện về phần cứng (thiết bị đo) và phần mềm (ch-ơng trình xử lý số
liệu), đ-ợc 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 h-ớng ngày càng
đơn giản, hiệu qủa.
1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không
12

gian ng-ời ta chia hệ thống GPS thành 3 phần gọi là Đoạn (Segment):
- Đoạn Không Gian (Space Segment),
- Đoạn điều khiển (Control Segment),
- Đoạn ng-ời sử dụng (User Segment).
1.2.1 Đoạn không gian
Đoạn không gian bao gồm các vệ tinh nhân tạo phát tín hiệu bay trên
các quỹ đạo xác định quanh trái đất. Vệ tinh đ-ợc đ-a vào bay trong 6 mặt
phẳng quĩ đạo nghiêng 55
0
so với mặt phẳng xích đạo trái đất, mỗi mặt phẳng
quĩ đạo có 4 hoặc 5 vệ tinh (xem hình 1.1). Quĩ đạo vệ tinh gần hình tròn, ở
độ cao 12.600 dặm (20.200km), chu kỳ 718 phút. Mỗi vệ tinh có trang bị tên
lửa đẩy để điều chỉnh quỹ đạo, thời hạn sử dụng khoảng 7,5 năm. Bảng 1.1

thống kê những vệ tinh GPS đã đ-ợc phóng lên quỹ đạo đến tháng I/ 1997.
Bảng 1.1: Các vệ tinh của hệ thống GPS
Block Số hiệu vệ tinh Ngày phóng vệ tinh Trạng thái hoạt động
I 4 22/02/78 Chết ngày 25/01/80
I 7 13/05/78 Chết ngày 30/07/80
I 6 06/10/78 Chết ngày 19/04/92
I 8 11/12/78 Chết ngày 27/10/86
I 5 09/02/80 Chết ngày 28/11/83
I 9 26/04/80 Chết ngày 10/12/90
I 11 14/07/83 Chết ngày 04/05/93
I 13 13/06/84 Chết ngày 28/02/94
I 12 08/09/84 Chết ngày 18/11/95
I 3 09/10/85 Chết ngày 27/02/94
II 14 14/02/89 Đang hoạt động
II 2 10/06/89 Đang hoạt động
13

II 16 17/08/89 §ang ho¹t ®éng
II 19 21/10/89 §ang ho¹t ®éng
II 17 11/12/89 §ang ho¹t ®éng
II 18 24/01/90 §ang ho¹t ®éng
II 20 25/03/90 ChÕtngµy 10/05/96
II 21 02/08/90 §ang ho¹t ®éng
II 15 01/11/90 §ang ho¹t ®éng
IIA 23 26/11/90 §ang ho¹t ®éng
IIA 24 03/07/91 §ang ho¹t ®éng
IIA 25 23/02/92 §ang ho¹t ®éng
IIA 28 10/04/92 §ang ho¹t ®éng
IIA 26 07/07/92 §ang ho¹t ®éng
IIA 27 09/09/92 §ang ho¹t ®éng

IIA 1 22/11/92 §ang ho¹t ®éng
IIA 29 18/12/92 §ang ho¹t ®éng
IIA 22 03/02/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 31 30/03/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 7 13/05/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 9 26/06/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 5 30/08/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 4 26/10/93 §ang ho¹t ®éng
IIA 6 10/03/94 §ang ho¹t ®éng
IIA 3 28/03/96 §ang ho¹t ®éng
IIA 10 15/08/96 §ang ho¹t ®éng
IIA 30 01/10/96 §ang ho¹t ®éng


14



H×nh 1.1: S¬ ®å quü ®¹o vÖ tinh hÖ thèng GPS


H×nh 1.2: VÖ tinh GPS khèi II

15

I.2.2 Đoạn điều khiển
Đoạn điều khiển là 5 trạm mặt đất phân bố đều quanh trái đất trong đó
1 trạm chủ (Master Station) và 4 trạm theo dõi (Monitor Station). Trạm chủ
đặttại căn cứ không quân Falcon ở Colorado Spring, bang Colorado, USA là
nơi nhận, xử lý tín hiệu thu đ-ợc từ các vệ tinh tại 4 trạm theo dõi.

Hình1.3: Sơ đồ Đoạn điều khiển của hệ thống GPS
Sau khi số liệu GPS đ-ợc thu thập, xử lý, toạ độ và độ lệch đồng hồ của
từng vệ tinh đ-ợc tính toán và hiệu chỉnh tại trạm chủ trạm chủ và truyền tới
các vệ tin
h
hàng ngày qua các trạm theo dõi (xem hình 1.4).
Hình 1.4. Sơ đồ truyền tín hiệu của Đoạn điều khiển
16


1. 2. 3 Đoạn ng-ời sử dụng
Đoạn ng-ời sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm
sử lý tính toán số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất
hay gắn trên các ph-ơng tiện chuyển động nh- đi bộ, đi xe đạp, ô tô, máy
bay, tàu biển, tên lửa, vệ tinh nhân tạo...
Tín hiệu vệ tinh đ-ợc thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten đẳng h-ớng
cuả máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi h-ớng. Tâm pha của anten là
điểm thu tín hiệu và là điểm xác định toạ độ.
Tuỳ theo mục đích của các ứng dụng mà các máy thu GPS có thiết kế
cấu tạo khác nhau cùng với phần mềm xử lý, và quy trình thao tác thu thập số
liệu ở thực địa.
1.3 Cấu trúc tín hiệu GPS
Một thành phần quan trọng của hệ thống GPS là tín hiệu phát từ vệ tinh
đến các máy thu. Việc phát và thu tín hiệu là cơ sở cho việc đo đạc với hệ
thống GPS. Vậy, tín hiệu GPS có cấu trúc nh- thế nào ?
Tín hiệu vệ tinh là sóng điện từ. Sóng điện từ đ-ợc dùng cho mục đích
đo đạc có những thông số đặc tr-ng, đ-ợc nghiên cứu, thử nghiệm đảm bảo
các yêu cầu nghiêm ngặt về độ chính xác, tính ổn định và yêu yêu cầu kỹ
thuât khác. Về mặt vật lý, tín hiệu vệ tinh có các thông số cơ bản đó là b-ớc
sóng, tần số và các mã điều biến trên sóng tải.

1.3.1 Tần số cơ bản
Tần số cơ bản của sóng truyền tín hiệu vệ tinh của hệ thống GPS là
fo = 10.23 MHz.

17


1.3.2 Các thông tin điều biến
Việc sử dụng tín hiệu mã hoá cho phép các vệ tinh GPS cùng hoạt động
mà không bị nhiễu, mỗi vệ tinh phát đi một mã giả ngẫu nhiên riêng biệt.
Máy thu GPS nhận dạng đ-ợc tín hiệu của từng vệ tinh trên nền nhiễu không
xác định của không gian bao quanh trạm đo, điều đó cho phép tín hiệu GPS
không đòi hỏi công suất lớn và máy thu GPS có thể sử dụng anten nhỏ hơn,
kinh tế hơn. Có 3 loại mã điều biến trên sóng tải đó là : C/A.Code (Coarse
Acquisition), P.Code và Y.Code.
+ C/A Code- mã sơ bộ
Mã C/A.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) đ-ợc phát đi với tần số 1.023
MHz (fo/10). Mã này là chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật tựa ngẫu
nhiên lặp lại với tần suất 1/1000giây. Mỗi vệ tinh đ-ợc gán 1 mã C/A.Code
riêng biệt. Mã C/A.Code chỉ đ-ợc điều biến trên sóng tải L1. Ph-ơng trình
giải mã C/A không bảo mật do vậy mã C/A.Code thông dụng trong nhiều
máy thu dân sự dùng để dẫn đ-ờng và lập bản đồ tỷ lệ nhỏ.
+ P.Code - mã chính xác
P.Code là mã giả ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, phát đi với tần số cơ bản fo
= 10.23 MHz. Mã này tạo bởi nhiều chuỗi chữ số 0 và 1 sắp xếp theo quy luật
tựa ngẫu nhiên. Tín hiệu này lặp lại với tần suất 267 ngày. Chu kỳ 267 ngày
chia thành 38 đoạn 7 ngày, trong đó 6 đoạn giành riêng cho mục đích vận
hành. Mỗi một đoạn 7 ngày còn lại đ-ợc gán mã phân biệt cho từng vệ tinh.
P-Code cũng sử dụng cho mục đích ứng dụng đo đạc quân sự có độ chính
xác cao.

18

+ Y.Code
Y.Code là mã bảo mật của P.Code. Việc giải mã Y.Code chỉ thuộc về
ng-ời dùng có thẩm quyền. Vì vậy khi kích hoạt Y.Code thì ng-ời dùng sẽ
không có khả năng sử dụng cả P.Code lẫn Y.Code. Việc sử dụng Y.Code
đ-ợc coi là mã bảo mật (Anti-Spoofing) của ng-ời chủ hệ thống GPS.
1.3.3 Các loại sóng tải của hệ thống GPS
Tín hiệu phục vụ cho việc đo đạc bằng hệ thống GPS đ-ợc điều biến
sóng tải có các độ dài b-ớc sóng khác nhau. Đó là các thông tin về thời gian
và vị trí của vệ tinh. Mỗi vệ tinh có mã riêng phát trên 2 tần số tải.
- Sóng tải có b-ớc sóng L1~19cm với tần số 54*fo =1575,42 MHz
- Sóng tải có b-ớc sóng L2~24,4cm với tần số 120*fo=1227,60 MHz
Mã C/A Code chỉ điều biến trên sóng tải L1,
Mã chính xác P.Code điều biến cả hai sóng tải L1 và L2.
1.3.4 Các thông báo vệ tinh
Thông báo dẫn đ-ờng do vệ tinh phát đi ở tần số thấp 50 Hz, thông báo
này chứa dữ liệu về trạng thái của vệ tinh và vị trí của chúng. Máy thu GPS
giải mã thông báo để có đ-ợc vị trí và trạng thái hoạt động của vệ tinh, số liệu
đã giải mã này gọi là Ephemeris.
Thông báo dẫn đ-ờng điều biến trên cả hai tần số sóng tải. Nó chia
thành 5 đoạn : Ephemeris, Almanac, mô hình khí quyển, các số hiệu chỉnh
đồng hồ, thông báo trạng thái . Thông báo vệ tinh đ-ợc sử dụng trong ch-ơng
trình lập lịch đo và tính toán xử lý kết quả đo. Các tham số thông báo trạng
thái của vệ tinh bao gồm:


19

1.3.5 Vệ tinh khoẻ hoặc không khoẻ (Healthy or Unhealthy)
Các vệ tinh th-ờng phát đi thông báo trạng thái khoẻ hay không khoẻ
trong tín hiệu của nó. Máy thu GPS sẽ tránh sử dụng vệ tinh không khoẻ.
Thông th-ờng các vệ tinh bị trạm theo dõi coi là không khoẻ vì những lý do
sau :
-Vệ tinh mới phóng lên quỹ đạo, lúc đầu còn phải thực hiện các thao tác
kiểm tra quỹ đạo vệ tinh và trạng thái đồng hồ,
- Vệ tinh đang bảo trì định kỳ chuyển động quỹ đạo, bảo trì đồng hồ.
- Vệ tinh đang đ-ợc kiểm tra chuyên môn, hoặc khi vệ tinh bị điều khiển
hoạt động theo cách gây sai số lớn,
- Khi vệ tinh đang đ-ợc sửa chữa những động thái bất th-ờng, hoạt động
sai chức năng.
Bộ Quốc Phòng Quân Đội Mỹ (DoD - Department of Defence) là ng-ời
công bố mỗi khi đặt vệ tinh vào trạng thái "không khoẻ". Thông tin này có
sẵn qua một số dịch vụ thông báo điện tử, nh- "Trimble BBS" của hãng
Trimble. Trạng thái khoẻ của tất cả các vệ tinh đ-ợc thông báo trong thông số
Almanac do từng vệ tinh phát đi. Số liệu Almanac do DoD cập nhật hàng
ngày và đ-ợc vệ tinh phát đi cách quãng chừng 12.5 phút một lần.
1.3.6 Vệ tinh hoạt động và không hoạt động (Enable or Disable)
Trong máy thu GPS tất cả các vệ tinh đều mặc định là hoạt động. Có
nghĩa là chúng đều đ-ợc kể đến trong mọi phép tính ( với điều kiện vệ tinh
khoẻ ). Một số máy thu cho tuỳ chọn không kích hoạt vệ tinh khoẻ khiến cho
máy thu bỏ qua vệ tinh đó. Hãng Trimble khuyến nghị ng-ời dùng kích hoạt
sử dụng tất cả các vệ tinh.

20

1.3.7 Độ chính xác dự báo đo khoảng cách (URE)
Giá trị URE có trong tín hiệu vệ tinh. Giá trị này dự báo độ chính xác trị

đo đến một vệ tinh nhất định. URE của từng vệ tinh có thể xem trên màn hình
của máy thu.
Vị trí của từng vệ tinh có trong thông tin qũi đạo ephemeris. Do đó, vị trí
của anten máy thu đ-ợc xác định khi biết toạ độ các vệ tinh và khoảng cách
t-ơng ứng đến máy thu bằng cách tính giao hội nghịch không gian . Nh- vậy
tại một điểm thu tín hiệu vệ tinh bất kỳ trong không gian, toạ độ của điểm
đ-ợc xác định. Đây là điểm hoàn toàn mới so với các nguyên tắc đo đạc
truyền thống. Vấn đề giải toạ độ cũng nh- độ chính xác về toạ độ điểm đo sẽ
đ-ợc đề cập đến trong các phần cụ thể sau.
1. 4 Các trị Đo GPS
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận đ-ợc từ tín hiệu của
vệ tinh truyền tới. Mỗi vệ tinh GPS phát 4 thông số cơ bản dùng cho việc đo
đạc chia thành 2 nhóm bao gồm:
+ Nhóm trị đo Code:
- C/A.Code,
- P.Code.
+ Nhóm trị đo pha:
- L1- Carrier,
- L2- Carrier,
- Tổ hợp L1/L2.
Các trị đo này có thể sử dụng riêng biệt hoặc kết hợp để xác định khoảng
cách đến từng vệ tinh.
21


1.4.1 Trị đo Code (C/A Code và P.Code)
Trong tr-ờng hợp này, máy thu nhận mã đ-ợc phát đi từ vệ tinh, so sánh
với tín hiệu t-ơng tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định đ-ợc thời gian tín hiệu
lan truyền từ vệ tinh tới náy thu và từ đó khoảng cách từ máy thu đến các vệ
tinh đ-ợc xác định bằng công thức:

D

= c.t +ct

+ (1.1)
trong đó:
- c là vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299792458 m/s,
- t là thời gian truyền tín hiệu,
-
t là l-ợng hiệu chỉnh do sai số sự không đồng bộ đồng hồ máy thu
và vệ tinh,
-
là l-ợng hiệu chỉnh do môi tr-ờng.
Việc xác định theo trị đo Code có thể diễm tả nh- hình 1.5.
-

Thời gian truyền sóng
Hình 1
.5 :
Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS


Do chính sách làm giảm độ chính xác định vị của Chính Phủ Mỹ bằng sự
tác động nhiễu SA (Selective Availability) làm sai lệch đến các tín hiệu vệ
22

tinh nên với trị đo C/A Code, vị trí điểm đo có độ chính xác 100m, với trị đo
P.Code cho độ chính xác vị trí điểm 30m với độ tin cậy 95%[2]. Từ ngày
20/5/2000, chính phủ Mỹ đã bỏ tác động SA đến tín hiệu vệ tinh nên độ chính
xác định vị với trị đo Code có thể đạt tới 30m. Với độ chính xác định vị nh-

trên, các trị đo này sử dụng định vị trong việc dẫn đ-ờng, đo đạc những đối
t-ợng có độ chính xác thấp.
1. 4. 2 Trị đo pha sóng tải ( phase observable)
Sóng tải đ-ợc phát đi từ vệ tinh có chiều dài b-ớc sóng không đổi
(L1~19cm, L2~24,4cm). Nếu gọi

là chiều dài b-ớc sóng thì khoảng cách
giữa vệ tinh và máy thu GPS sẽ là:
D=N.

+


trong đó: - N là số nguyên lần b-ớc sóng,
-

là phần lẻ b-ớc sóng.
Trị đo pha chính là phần lẻ của b-ớc sóng bằng cách đo độ di pha giữa
sóng tải thu đ-ợc và sóng tải do máy thu tạo ra. Phần lẻ này có thể đo đ-ợc
với độ chính xác khoảng cỡ 1% vòng pha t-ơng đ-ơng vài mm (hình 1.6).
Biểu thức xác định độ di pha :

= R+ c(

t -

T) -

N +

atm
+

( 1.2 )
Trong đó :
R =
(X
s
- X
r
)
2
+ (Y
s
- Y
r
)
2
+ (Z
s
- Z
r
)
2

- R là khoảng cách đúng từ vệ tinh đến máy thu,
- X
s
,Y
s

,Z
s
là toạ độ không gian 3 chiều của vệ tinh,
- X
r
Y
r
Z
r
là toạ độ không gian 3 chiều của vị trí anten máy thu,
- c là tốc độ truyền sóng ( tốc độ ánh sáng),
23

-

t là độ lệch đồng hồ máy thu,
-

T là độ lệch đồng hồ vệ tinh,
-

là b-ớc sóng của sóng tải,
- N là số nguyên lần b-ớc sóng từ vệ tinh đến anten máy thu,
-

atm
là sai số do khí quyển,
-

là tổ hợp các sai số khác.

Giải pháp này cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị
đo Code. Khó khăn chính là xác định số nguyên lần b-ớc sóng giữa anten
máy thu và vệ tinh (số nguyên đa trị N). Một khi máy thu bắt đ-ợc tín hiệu
của một vệ tinh nào đó nó sẽ đếm số b-ớc sóng trôi qua sau thời điểm đó. Do
vậy điều cần thiết duy nhất là tính đ-ợc số đa trị nguyên ban đầu.
Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián đoạn-sự cố tr-ợt chu kỳ
(Cycle slip) xẩy ra, số nguyên đa trị bị thay đổi, cần phải xác định lại.
Sự tr-ợt chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động
nhanh hoặc tác động mạnh của tầng ion.
Sự tr-ợt chu kỳ phải đ-ợc loại trừ để xác định số nguyên lần b-ớc sóng
tín hiệu GPS trong biểu thức ( 1.3.2 ).
Hình 1.6: Trị đo pha và số nguyên đa trị
Phần lẻ b-ớc sóng cần đo
Số nguyên lần b-ớc sóng
Vệ tinh
Máy thu
24

Để xác định số nguyên lần b-ớc sóng có nhiều ph-ơng pháp:
1. Ph-ơng pháp hình học dựa trên sự thay đổi hình học vệ tinh trong khi
đo để giải số nguyên lần b-ớc sóng đồng thời với toạ độ anten,
2. So sánh (kết hợp) trị đo pha và trị đo code,
3. Trị đo dải rộng ( hiệu tần số L1 và L2 ) cho b-ớc sóng 86,2cm để
xác định số nguyên đa trị nh-ng kém chính xác hơn,
4. Sử dụng sai phân bậc 3,
5. Ph-ơng pháp hàm số ambiguity và kỹ thuật OTF (On The Fly) xác
định nhanh số đa trị trong khi anten di động ngay sau khi bị mất tín
hiệu vệ tinh. Ph-ơng pháp này đ-ợc áp dụng với máy hai tần số.
1.5. nguyên lý định vị GPS
Định vị là việc xác định vị trí điểm cần đo. Tuỳ thuộc vào đặc điểm cụ thể

của việc xác định toạ độ ng-ời ta chia thành 2 loại hình định vị cơ bản: định
vị tuyệt đối và định vị t-ơng đối.
1.5.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn)
Khác biệt hẳn so với các ph-ơng pháp đo đạc truyền thống, việc định vị
một điểm nào đó không cần đến các trị đo góc, cạnh thông th-ờng mà sử
dụng các trị đo Code và trị đo pha nêu trên. Khi đặt máy ở điểm bất kỳ
thu tín hiệu từ các vệ tinh, khoảng cách t-ơng ứng từ máy thu đến các vệ
tinh đ-ợc xác định và toạ độ của điểm đo đ-ợc xác định trong hệ toạ độ
GPS. Nguyên lý định vị điểm đặt anten máy thu đ-ợc mô tả nh- hình 1.7.



25



Hình 1.7: Sơ đồ nguyên định vị điểm đơn
Đây là bài toán giao hội nghịch không gian khi biết toạ độ của các vệ
tinh và khoảng cách t-ơng ứng đến máy thu. Về mặt hình học có thể mô tả sự
định vị tại một thời điểm nh- sau:
- Nếu có 1 vệ tinh thì điểm cần đo sẽ nằm trên mặt cầu có tâm là vị trí
vệ tinh, có bán kính bằng khoảng cách đo đ-ợc từ vệ tinh đến máy thu;
- Nếu có 2 vệ tinh thì điểm đo cũng nằm trên mặt cầu thứ 2 có tâm là vệ
tinh thứ 2, có bán kính là khoảng cách từ vệ tinh thứ 2 đến máy thu. Kết hợp
trị đo đến 2 vệ tinh thì vị trí của điểm đo sẽ nằm trên giao của của 2 mặt cầu
trong không gian - đó là 1 đ-ờng tròn;
- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng nh- trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của
mặt cầu thứ 3 và đ-ờng tròn nêu trên - kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí
trong không gian.
- Nếu có vệ tinh thứ 4 thì kết quả tổng hợp sẽ cho 1 nghiệm duy nhất đó

chính là vị trí của điểm đo trong không gian.