Khảo sát độ chính xác đo GPS động RTK trong công tác thành lập bản đồ địa chính tỷ lệ 1 10000 xã đại đồng huyện thạch thất thành phố hà nội

B GIÁO D C VÀ ðÀO T O
TRƯ NG ð I H C NÔNG NGHI P HÀ N I

KI U ANH TU N

KH O SÁT ð CHÍNH XÁC ðO GPS ð NG RTK TRONG
CÔNG TÁC THÀNH L P B N ð ð A CHÍNH T L 1/1000
XÃ ð I ð NG HUY N TH CH TH T THÀNH PH HÀ N I

CHUYÊN NGÀNH: QU N LÝ ð T ðAI
MÃ S : 60.85.01.03

NGƯ I HƯ NG D N KHOA H C:
TS. LÊ MINH TÁ

HÀ N I, NĂM 2013

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

i


L I CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan s li u và k t qu nghiên c u trong lu n văn này là
trung th c và chưa ñư c s d ng ñ b o v m t h c v nào. N i dung ñ tài này
là nh ng k t qu nghiên c u, nh ng ý tư ng khoa h c ñư c t ng h p t cơng
trình nghiên c u, các cơng tác th c nghi m, các cơng trình s n xu t do tôi tr c
ti p tham gia th c hi n.
Tôi xin cam đoan, các thơng tin trích d n trong lu n văn ñ u ñã ñư c ch
rõ ngu n g c./.
Tác gi lu n văn

Ki u Anh Tu n


L I C M ƠN

ð hồn thành đư c đ tài, tôi xin g i l i c m ơn chân thành ñ n:
Ban giám hi u Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i, Khoa Tài nguyên và
Môi trư ng, cùng các Th y Cô giáo ñã gi ng d y, truy n ñ t ki n th c cho tôi trong
su t th i gian tơi tham gia khóa h c c a Trư ng.
TS. Lê Minh Tá đã h t lịng quan tâm, tr c ti p hư ng d n tôi trong q trình
th c hi n đ tài.
Trung tâm k thu t tài ngun mơi trư ng Hà N i đã t o đi u ki n v máy
móc đ tơi có th hồn thành q trình th c nghi m.
Tơi cũng xin g i l i c m ơn chân thành đ n gia đình, b n bè đã giúp ñ , ñ ng
viên và ñóng góp ý ki n cho tơi trong su t q trình h c t p và hồn thành đ tài.
Tác gi lu n văn

Ki u Anh Tu n

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

ii


M CL C
L I CAM ðOAN .....................................................................................................i
L I C M ƠN..........................................................................................................ii
M C L C ..............................................................................................................iii
DANH M C CH

VI T T T...............................................................................vi

DANH M C B NG..............................................................................................vii
DANH M C HÌNH..............................................................................................viii
M

ð U ................................................................................................................ 1

1.

Tính c p thi t c a đ tài ................................................................................ 1

2.

M c đích c a đ tài ....................................................................................... 2

3.

u c u c a đ tài ......................................................................................... 2

4.

Tính khoa h c và th c ti n c a ñ tài ............................................................ 2

Chương 1. T NG QUAN CÁC V N ð NGHIÊN C U ................................... 3
1.1

Lý thuy t chung v công ngh GPS.............................................................. 3

1.1.1 Vài nét v l ch s phát tri n........................................................................... 3
1.1.2 C u trúc h th ng GPS .................................................................................. 5
1.1.3 Các tr ño GPS .............................................................................................. 9
1.1.4 Nguyên lý ñ nh v GPS................................................................................ 12
1.1.5 Các ngu n sai s trong ño GPS (ð Ng c ðư ng và ð ng Nam Chinh, 2006) .......17
1.2

Nguyên lý ño GPS ñ ng (ð ng Nam Chinh, 2012) ..................................... 20

1.2.1. Phân lo i công ngh ño GPS ñ ng............................................................... 20
1.2.2. Gi i thi u k thu t ño GPS ñ ng theo phương pháp RTK ........................... 23
1.3

Các thi t b ño GPS ñ ng RTK.................................................................... 24

1.3.1 Gi i thi u chung v máy thu GPS ............................................................... 24
1.3.2 M t s lo i máy thu s d ng trong trác ñ a.................................................. 28
1.3.3 Gi i thi u v máy thu Trimble R4 ............................................................... 30
1.3.4 Gi i thi u ph n m m x lý s li u............................................................... 33
1.3.5 Thông s k thu t c a máy Leica TS 02...................................................... 35
1.4

T ng quan v tình hình nghiên c u, tri n khai và ng d ng công ngh
GPS trên Th gi i và

Vi t Nam................................................................ 36

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

iii

1.4.1 Trên Th gi i .............................................................................................. 36
1.4.2
1.5

Vi t Nam………………………………………………………………….38
B n ñ ñ a chính ......................................................................................... 40

1.5.1 Khái ni m và phân lo i b n đ đ a chính ..................................................... 40
1.5.2. Cơ s tốn h c ............................................................................................ 40
1.5.3. Vai trị và t m quan tr ng c a b n ñ ñ a chính........................................... 46
1.5.4. N i dung và yêu c u thành l p b n ñ ñ a chính.......................................... 47
Chương 2 N I DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U.......................... 50
2.1

ð i tư ng nghiên c u.................................................................................. 50

2.2

Ph m vi nghiên c u..................................................................................... 50

2.3

N i dung nghiên c u ................................................................................... 50

2.3.1 L a ch n t n su t ghi tín hi u khi đo GPS đ ng ñ thành l p b n ñ ñ a
chính b ng các k t qu ño th c ñ a .............................................................. 50
2.3.2 ðánh giá nh hư ng c a vi c ch n t n su t ghi tín hi u đ n đ chính
xác đo GPS đ ng......................................................................................... 50

2.3.3 ð xu t kh năng ng d ng c a cơng tác đo GPS đ ng trong cơng tác
thành l p b n đ đ a chính........................................................................... 51
2.4

Phương pháp nghiên c u ............................................................................. 51

2.4.1 Phương pháp ñi u tra, kh o sát thu th p s li u trong ph m vi nghiên
c u. ............................................................................................................. 51
2.4.2 Phương pháp k th a các tài li u đã có và đo đ c th c ñ a .......................... 51
2.4.3 Phương pháp ño th c nghi m ...................................................................... 51
2.4.4 Phương pháp th ng kê, x lý s li u và so sánh, ñánh giá đ chính xác....... 52
Chương 3 K T QU NGHIÊN C U VÀ TH O LU N .................................. 53
3.1

Tình hình chung v xã ð i ð ng................................................................. 53

3.1.1 V trí đ a lý.................................................................................................. 53
3.1.2 ð a hình ...................................................................................................... 53
3.1.3 Khí h u th i ti t .......................................................................................... 54
3.1.4 Th c tr ng cơ s h t ng ............................................................................. 54
3.1.5 Tình hình qu n lý đ t đai trên đ a bàn xã..................................................... 55

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

iv


3.2.

ðo ñ c th c ñ a ........................................................................................... 58

3.2.1 ð t v n ñ ................................................................................................... 58
3.2.2 T ch c ño đ c và tính tốn th c nghi m .................................................... 58
3.2.3 X lý s li u ñ ng:...................................................................................... 65
3.2.3 Các k t qu tính tốn th c nghi m .............................................................. 71
3.2.4 K t qu ño chi ti t b ng máy tồn đ c đi n t Leica TS-02 ......................... 74
K T LU N VÀ KI N NGH .............................................................................. 78
1

K t lu n....................................................................................................... 78

2

Ki n ngh .................................................................................................... 79

TÀI LI U THAM KH O ................................................................................... 80

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

v


DANH M C CH

VI T T T

BððC

: B n ñ ñ a chính

DOP

: Dilution of Precision
Ch s phân t n ñ chính xác

dx , dy, dp

: ð l ch t a ñ x, y

GDOP

: Geometric Dilution of Precision
Ch s phân t n đ chính xác hình h c

GPS

: Global Positioning System
H th ng đ nh v tồn c u

HDOP

: Horizon Dilution of Precision
Ch s phân t n đ chính xác m t b ng

PDOP

: Position Dilution of Precision
Ch s phân t n đ chính xác v trí đi m

PPK

: Post Procesed Kinematic
ðo GPS ñ ng x lý sau

Ratio

: T s phương sai

Reference Variance

: ð chênh l ch tham kh o

RTK

: Real Time Kinematic
ðo GPS ñ ng x lý t c th i

Mx, My, Mh

: Sai s theo phương x, y h

Mp

: Sai s v trí đi m

VDOP

: Vertiacal Dilution of Precision
Ch s phân t n đ chính xác đ cao

X, Y, h

: T a ñ X, Y, ð cao th y chu n t m th i

UTM

: Universal Transverse Mercator

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

vi


DANH M C B NG
B ng 1.1. S

nh hư ng c a các ngu n sai sơ đ n k t qu ñ nh v ........................ 20

B ng 1.2 M t s lo i máy thu GPS và thông s k thu t ....................................... 29
B ng 3.1: T a ñ và ñ cao c a hai ñi m lư i t a đ đ a chính ............................. 59
B ng 3.2: T a ñ và ñ cao c a hai ñi m đ a chính cơ sơ...................................... 59
B ng 3.3: Sai s v trí đi m ng v i t ng lo i t l b n ñ .................................... 71
B ng 3.4 B ng sai s ñ cao ................................................................................. 71
B ng 3.5 B ng th ng kê k t qu ño GPS RTK v i t n su t ghi tín hi u 2 giây ...... 71
B ng 3.6 B ng th ng kê k t qu ño GPS RTK v i t n su t ghi tín hi u 5 giây ...... 72
B ng 3.7 B ng th ng kê k t qu ño GPS RTK v i t n su t ghi tín hi u 10 giây .... 72
B ng 3.8 B ng th ng kê ñ l ch t a ñ gi a các phương án ño GPS RTK ............ 73
B ng 3.9. B ng t a ñ ño b ng máy Leica TS-02.................................................. 75
B ng 3.10 So sánh ñ l ch gi a 3 phương án ño GPS RTK v i máy Leica ........... 76

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

vii


DANH M C HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình hình nh trái ñ t và v tinh GPS ................................................ 3
Hình 1.2: Sơ ñ c u trúc h th ng GPS ................................................................... 5
Hình 1.3: Sơ ñ qu ñ o v tinh h th ng GPS ....................................................... 6
Hình 1.4: C u trúc v tinh GPS th h đ u Block I.................................................. 7
Hình 1.5: C u trúc v tinh GPS th h m i Block IIR-M1....................................... 7
Hình 1.6: Các tr m đi u khi n GPS......................................................................... 8
Hình 1.7. Sơ đ truy n tín hi u c a đo n đi u khi n ............................................... 9
Hình 1.8 : Sơ ñ cơ ch xác ñ nh th i gian truy n tín hi u GPS ............................ 10
Hình 1.9. Tr ño pha và s nguyên ña tr ............................................................... 12
Hình 1.10. Sơ đ đ nh v GPS tuy t đ i................................................................. 13
Hình 1.11 . Sơ đ mơ t sai phân b c m t ............................................................. 15
Hình 1.12. Sơ đ mơ t sai phân b c hai................................................................ 16
Hình 1.13 Máy thu v tinh Receiver 4600 LS ....................................................... 24
Hình 1.14 Máy thu v tinh Receiver 4800 ............................................................ 25
Hình 1.15 H th ng Radio Link Trimtalk 900 ....................................................... 26
Hình 1.16 H th ng Radio Link TDL 450 ............................................................. 26
Hình 1.17 Thi t b đi u khi n TSC2...................................................................... 27
Hình 1.13 Bình ác quy c a Radio Link ................................................................. 28
Hình 1.14. Máy Trimble R4 .................................................................................. 30
Hình 1.15. Menu file ............................................................................................. 34
Hình 1.16 ð hình khu đo..................................................................................... 34
Hình 1.17. Phép chi u UTM ................................................................................. 41
Hình 1.18. H t a đ vng góc UTM .................................................................. 42
Hình 3.1 Sơ đ l p đ t tr m Base .......................................................................... 62

Hình 3.2 Thi t b Rover ........................................................................................ 64
Hình 3.3 Màn hình copy các job vào máy tính ...................................................... 66
Hình 3.4 Màn hình lưu các Job đo đ ng ................................................................ 66
Hình 3.5 Giao di n ph n m m Trimble Business Center ...................................... 67
Hình 3.6. C a s t o Project.................................................................................. 68
Hình 3.7 Màn hình nh p d li u............................................................................ 68
Hình 3.8 C a s hi n th File ................................................................................ 69
Hình 3.9 ð hình các đi m đo chi ti t ................................................................... 70
Hình 3.10 Màn hình xu t sang file DXF................................................................ 70

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

viii


M

ð U

1. Tính c p thi t c a đ tài
H th ng đ nh v tồn c u GPS là h th ng ñ nh v , d n ñư ng s d ng v
tinh nhân t o ñư c B qu c phòng M tri n khai t nh ng năm ñ u c a th p k 70.
Ban ñ u h th ng này ch ñư c s d ng cho m c đích qn s nhưng sau đó đã
đư c thương m i hóa, đ n nh ng năm ñ u c a th p k 80 c a th k XX thì nó đã
đư c ng d ng vào các m c đích dân s . Ngày nay trong r t nhi u lĩnh v c c a ñ i
s ng kinh t , xã h i đã và đang áp d ng cơng ngh GPS. Trong Tr c ñ a ñã s m ng
d ng cơng ngh GPS v i các tính năng ưu vi t và đ chính xác cao ph c v cho
cơng tác đo lư i to đ c p cao.
ð i v i ngành Tr c ñ a c a Vi t Nam thì sau khi đ t nư c ñư c gi i phóng
ñ n nay cùng v i khoa h c công ngh phát tri n trên th gi i thì GPS đã đư c áp

d ng vào Vi t Nam ñ u tiên là ño các ñi m to đ c p “ 0” sau đó là ño to ñ các
ñi m lư i c p cao.
Ưu ñi m c a h th ng ñ nh v tồn c u GPS là có th xác đ nh to ñ m t
ñi m b t kỳ trên Trái ñ t, có th xác ñ nh to ñ 1 ñi m t ñi m g c khác mà không
c n thơng hư ng, đ chính xác trong khi đo ñ c ít b

nh hư ng c a ñi u ki n th i

ti t, ño ñ c to ñ các đi m v i th i gian nhanh chóng và đ chính xác cao, có th
đo c ban ngày và ban ñêm, k t qu ño ñ c ñư c tính trên h to đ tồn c u.
Cơng ngh GPS ngày càng phát tri n và hoàn thi n hơn v i đ chính xác
ngày càng cao vì v y ñã ñư c h u h t các nư c trên th gi i ñưa vào ph c v cơng
tác xây d ng lư i t tồn c u cho ñ n qu c gia, ph c v cho nghiên c u hình dáng
trái đ t và đ a ñ ng h c. Giúp hoàn thi n m ng lư i t a ñ Qu c gia và khu v c.
Vi t Nam, cơng ngh GPS đư c ng d ng ñ xây d ng m ng lư i t a ñ c p “0”,
m ng lư i cơ s và m ng lư i c p th p ph c v thành l p b n ñ , công tác k thu t
trên nhi u lĩnh v c khác nhau.
Nh ng năm g n ñây, do ti n b nhanh v k thu t x lý s li u, công ngh
ch t o thi t b ngày càng hồn thi n vì v y k thu t đo GPS ñ ng ñã và ñang ñư c
ng d ng r ng rãi trên toàn th gi i.

Vi t Nam, trong nh ng năm g n đây cơng

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

1


tác ño GPS ñ ng ñã ñư c nghiên c u th c nghi m

m t s cơ s s n xu t. ð có

đư c nh ng k t lu n khoa h c v kh năng ng d ng c a cơng ngh đo GPS đ ng
trong đo v b n đ đ a chính thì cơng tác kh o sát đánh giá đ chính xác c a
phương pháp này là công tác r t c p thi t trong th c t hi n nay. ðư c s giúp ñ
c a th y giáo TS. Lê Minh Tá – Gi ng viên khoa Tr c ð a trư ng ð i h c M ð a
ch t , chúng tơi đã ti n hành nghiên c u và th c hi n ñ tài:
“Kh o sát ñ chính xác đo GPS đ ng RTK trong cơng tác thành l p b n
đ đ a chính t l 1/1000 xã ð i ð ng huy n Th ch Th t thành ph Hà N i”
2. M c đích c a đ tài
S d ng cơng ngh GPS v i đ chính xác cao vào cơng tác đo đ c thành l p
b n đ đ a chính.
Kh o sát nh hư ng c a vi c ñ t t n su t ghi tín hi u khác nhau t i đ chính
xác đo GPS đ ng RTK trong cơng tác đo đ c thành l p b n ñ ñ a chính.
3. Yêu c u c a ñ tài
- N m v ng ñư c nguyên lý ño GPS ñ ng RTK.
- Nghiên c u kh o sát ñ chính xác ño GPS ñ ng RTK ñ thành l p b n đ
đ a chính khi đ t t n su t ghi tín hi u khác nhau.
- S d ng thành th o m t s lo i máy ño GPS hi n nay và các ph n m m
ng d ng x lý tính tốn khi ng d ng ño GPS ñ ng ñ thành l p b n đ đ a chính
t l l n.
4. Tính khoa h c và th c ti n c a ñ tài
ðo GPS ñ ng là bư c phát tri n m i c a công ngh GPS cho phép đo đ c
chi ti t b qua cơng đo n l p lư i kh ng ch cơ s , có đ chính xác đ t u c u k
thu t đo v b n đ đ a chính, có nh ng tính năng ưu vi t so v i phương pháp ño v
b n ñ truy n th ng.
ðo GPS ñ ng là phương pháp ño ñ c khoa h c, ñáp ng yêu c u c a cơng
tác t đ ng hóa đo v b n đ , phù h p v i vi c t ch c, qu n lý trong các h th ng
qu n tr d li u trong máy tính.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

2


Chương 1. T NG QUAN CÁC V N ð NGHIÊN C U
1.1 Lý thuy t chung v công ngh GPS
1.1.1 Vài nét v l ch s phát tri n
Tên ti ng Anh ñ y ñ c a GPS là Navigation Satellite Timing and Ranging
Global Positioning System. ðây là m t h th ng radio hàng h i d a vào các v tinh
đ cung c p thơng tin v trí 3 chi u và th i gian chính xác. H th ng ln s n sàng
trên ph m vi tồn c u và ho t ñ ng trong m i đi u ki n th i ti t.

Hình 1.1: Mơ hình hình nh trái đ t và v tinh GPS
T nh ng năm 60 c a th k 20, Cơ quan Hàng không và Vũ tr (NASA)
cùng v i Quân ñ i Hoa Kỳ ñã ti n hành chương trình nghiên c u, phát tri n h
th ng d n ñư ng và ñ nh v chính xác b ng v tinh nhân t o. H th ng ñ nh v d n
ñư ng b ng v tinh th h ñ u tiên là h th ng TRANSIT. H th ng này có 6 v
tinh, ho t đ ng theo nguyên lý Doppler. H TRANSIT ñư c s d ng trong thương
m i vào năm 1967. M t th i gian ng n sau đó TRANSIT b t đ u ng d ng trong
tr c ñ a. Vi c thi t l p m ng lư i ñi m ñ nh v kh ng ch toàn c u là nh ng ng
d ng s m nh t và giá tr nh t c a h TRANSIT.
ð nh v b ng h TRANSIT c n th i gian quan tr c r t lâu mà đ chính xác ch
đ t kho ng 1m. Do v y trong tr c ñ a h TRANSIT ch phù h p v i công tác xây d ng
các m ng lư i kh ng ch c nh dài. H này khơng tho mãn đư c các ng d ng đo đ c
thơng d ng như đo đ c b n đ , các cơng trình dân d ng (ð ng Nam Chinh, 2012).
Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

3

Ti p sau thành công c a h TRANSIT. H th ng ñ nh v v tinh th h th
hai ra đ i có tên là NAVSTAR-GPS (Navigtion Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), ñư c g i t t là GPS. H th ng này bao g m 24 v tinh
phát tín hi u, bay quanh trái đ t theo nh ng qu ñ o xác ñ nh. ð chính xác đ nh v
b ng h th ng này ñư c nâng cao v ch t so v i h TRANSIT. Như c ñi m v th i
gian quan tr c ñã ñư c kh c ph c. M t năm sau khi phóng v tinh th nghi m NTS2 (Navigation Technology Sattellite 2 ), giai ño n th nghi m v n hành h th ng
GPS b t đ u v i vi c phóng v tinh GPS m u "Block I". T năm 1978 ñ n năm
1985 có 11 v tinh Block I đã đư c phóng lên qu đ o. Hi n nay h u h t s v tinh
thu c Block I ñã h t th i h n s d ng. V tinh th h th II (Block II) b t ñ u ñư c
phóng vào năm 1989. Sau giai ño n này 24 v tinh này ñã tri n khai trên 6 qu ñ o
nghiêng 550 so v i m t ph ng xích đ o trái đ t v i chu kỳ g n 12 gi

ñ cao x p

x 12.600 d m (20.200km). Lo i v tinh b sung th h III ñư c thi t k thay th
nh ng v tinh Block II đư c phóng l n đ u vào năm 1995. Cho đ n nay đã có 27 v
tinh c a h th ng GPS ñang ho t ñ ng trên qu ñ o (Ph m Hoàng Lân, 1997).
Cùng có tính năng tương t v i h th ng GPS đang ho t đ ng cịn có h
th ng GLONASS c a Nga (nhưng không thương m i hóa r ng rãi) và m t h th ng
tương lai s c nh tranh th trư ng v i h th ng GPS là h th ng GALILEO c a
C ng ñ ng Châu Âu.
Vi t Nam, phương pháp ñ nh v v tinh ñã ñư c ng d ng t nh ng năm
ñ u th p k 90, v i 5 máy thu v tinh lo i Trimble ban ñ u, sau m t th i gian ng n
ñã l p song lư i kh ng ch

nh ng vùng đ c bi t khó khăn mà t trư c t i nay

chưa có lư i kh ng ch . Nh ng năm sau đó cơng ngh GPS đã đóng vai trị quy t
đ nh trong vi c đo lư i c p ‘‘0’’ l p h quy chi u Qu c gia m i cũng như vi c l p
lư i đ a chính cơ s h ng III ph trùm lãnh th và nhi u lư i kh ng ch cho các

cơng trình dân d ng khác.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

4


1.1.2 C u trúc h th ng GPS
Theo s phân b không gian ngư i ta chia h th ng GPS thành ba ph n g i
là ‘‘ðo n’’ (Segment) : ðo n khơng gian (Space Segment), ðo n đi u khi n
(Control Segment), ðo n ngư i s d ng (User Segment) (ð ng Nam Chinh, 2012).

Hình 1.2: Sơ ñ c u trúc h th ng GPS
* ðo n khơng gian :
H th ng ban đ u có 24 v tinh, trong đó có 3 v tinh d tr . Hi n nay đã có
31 v tinh bay xung quanh Trái đ t

qu

đ o g n trịn, v i ñ

cao kho ng

20.200km, góc nghiêng 550, chu kỳ 718 phút. N m trên 6 m t ph ng qu ñ o, m i
m t ph ng qu đ o có 4 ho c 5 v tinh.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

5

Hình 1.3: Sơ đ qu đ o v tinh h th ng GPS
Ch c năng chính c a các v tinh là:
+ Nh n và lưu tr d li u ñư c g i lên t các tr m ñi u khi n.
+ Duy trì th i gian chính xác b i ñ ng h nguyên t g n trên v tinh.
+ Truy n thông tin và d li u cho ngư i s d ng theo hai t n s là L1 và L2.
T khi phóng v tinh GPS ñ u tiên ñư c phóng vào năm 1978, ñ n nay đã có
b n th h v tinh khác nhau. Th h ñ u tiên là v tinh Block I, th h th hai là
Block II, th h th ba là Block IIA và th h g n ñây nh t là Block IIR. Th h
cu i c a v tinh Block IIR ñư c g i là Block IIR-M. Nh ng v tinh th h sau ñư c
trang b thi t b hi n đ i hơn, có ñ tin c y cao hơn, th i gian ho t ñ ng lâu hơn. V
tinh th h ñ u Block I đư c cho trong Hình 1.4. V tinh ñ u tiên c a th h m i
Block IIR-M1 (m i đư c phóng vào tháng 12 năm 2005) ñư c cho trong Hình 1.5

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

6


Hình 1.4: C u trúc v tinh GPS th h ñ u Block I

Hình 1.5: C u trúc v tinh GPS th h m i Block IIR-M1
* ðo n ñi u khi n :
ðo n ñi u khi n ñư c thi t l p đ duy trì ho t ñ ng c a toàn b h th ng
ñ nh v GPS. ðo n ñi u khi n là 5 tr m m t ñ t phân b ñ u quanh Trái đ t, trong
đó g m 1 tr m ñi u khi n trung tâm (Master Control Monitor Station) ñư c ñ t t i
căn c không quân M g n Colorado Springs và 4 tr m theo dõi (Monitor Station)

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

7


ñ t t i : Hawaii (Thái Bình Dương), Ascension Island (ð i Tây Dương), Diego
Garcia ( n ð Dương) và Kwaalein (Tây Thái Bình Dương). Hình 1.6

Hình 1.6: Các tr m ñi u khi n GPS
Nhi m v c a ño n ñi u khi n là ñi u khi n tồn b ho t đ ng và ch c năng
c a các v tinh trên cơ s theo dõi chuy n ñ ng qu ñ o c a v tinh cũng như ho t
ñ ng c a ñ ng h v tinh trên đó. T t c các tr m đ u có máy thu GPS, chúng ti n
hành ño kho ng cách và s thay ñ i kho ng cách t i t t c các v tinh có th quan
sát đư c và đ ng th i đo các s li u khí tư ng.
T t c các s li u ño ñư c nh n

m i tr m ñ u ñư c truy n v tr m trung

tâm. Tr m trung tâm có nhi m v x lý các s li u ñư c truy n t các tr m theo dõi
v cùng v i các s li u đo c a chính nó. K t qu x lý cho ra các Ephemerit chính
xác c a v tinh và c s hi u ch nh cho các ñ ng h trên v tinh
Sau khi s li u GPS ñư c thu th p, x lý t a ñ và ñ l ch ñ ng h c a t ng
v tinh đư c tính tốn và hi u ch nh t a ñ t i tr m ch và truy n t i các v tinh
hàng ngày qua các tr m theo dõi và t đó truy n xu ng máy thu cho ngư i s d ng.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

8


Hình 1.7. Sơ đ truy n tín hi u c a ño n ñi u khi n
* ðo n ngư i s d ng :

ðo n ngư i s d ng bao g m ph n c ng và ph n m m:
Phân c ng: Bao g m các máy thu GPS đ thu tín hi u v tinh GPS ph c v
cho các m c đích như d n ñư ng trên bi n, trên không và trên ñ t li n. Nh các ti n
b trong lĩnh v c ñi n t , máy thu GPS ngày càng hồn ch nh và có nhi u ch ng
lo i khác nhau.
Ph n m m: Có nhi m v x lý s li u ño, các ph n m m cũng ñư c liên t c
phát tri n, ngày càng hồn h o v ch c năng và tính ti n d ng.
1.1.3 Các tr ño GPS
Tr ño GPS là nh ng tín hi u mà máy thu GPS nh n đư c t tín hi u c a v
tinh truy n t i dùng cho vi c tính t a đ đi m đo, bao g m 2 nhóm : Tr ño Code
(Code measurement) và tr ño pha (Phase measurement).
+ Nhóm tr đo Code :
- C/A.Code,
- P.Code.
+ Nhóm tr ño pha :
- L1- Carrier,
- L2- Carrier,
- T h p L1/L2.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

9


Các tr đo này có th s d ng riêng bi t ho c k t h p ñ xác ñ nh kho ng
cách ñ n t ng v tinh.
1.1.3.1. Tr ño Code (C/A Code và P.Code)
Trong trư ng h p này, máy thu nh n mã ñư c phát ñi t v tinh, so sánh v i
tín hi u tương t mà máy thu t o ra nh m xác đ nh đư c th i gian tín hi u lan
truy n t v tinh t i máy thu và t đó kho ng cách t máy thu đ n các v tinh ñư c

xác ñ nh b ng công th c :
D = c.t + c. ∆t + σ
Trong đó:
- c là v n t c lan truy n song (ánh sang) = 299792458 m/s,
- t là th i gian truy n tín hi u,
- ∆t là lư ng hi u ch nh do sai s s không ñ ng b ñ ng h máy thu và v tinh,
- σ là lư ng hi u ch nh do mơi trư ng.
Vi c xác đ nh theo tr đo Code có th di n t như (Hình 2.6)

Th i gian truy n sóng
Hình 1.8 : Sơ đ cơ ch xác đ nh th i gian truy n tín hi u GPS
Do chính sách làm gi m đ chính xác ñ nh v c a chính ph M b ng s tác
ñ ng nhi u SA (Selective Availability) làm sai l ch đ n các tín hi u v tinh nên v i
tr đo C /A Code, v trí đi m đo có đ chính xác 100m. V i tr ño P.Code cho ñ
chính xác v trí ñi m c 30m v i ñ tin c y 95%. T ngày 20/5/2000, chính ph M
đã b tác đ ng SA đ n tín hi u v tinh nên đ chính xác ñ nh v v i tr ño có th ñ t
t i 10m. V i đ chính xác đ nh v như trên, các tr ño này s d ng ñ nh v trong
vi c d n ñư ng, ño ñ c nh ng ñ i tư ng có ñ chính xác th p.
Trư ng ð i h c Nơng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

10


2.1.3.2. Tr đo pha sóng t i (phase observable)
Sóng t i đư c phát đi t

v

tinh có chi u dài bư c sóng khơng đ i

(L1~19cm, L2~24,4cm). N u g i λ là chi u dài bư c sóng thì kho ng cách gi a v
tinh và máy thu GPS s là:
D = N. λ + δ

(1.1)

Trong đó:
- N là s nguyên l n bư c song, δ là ph n l bư c song,
- Tr đo pha chính là ph n l c a bư c song b ng cách ño ñ dip ha gi a
song t i thu ñư c và song t i do máy thu t o ra. Ph n l n y có th đo ñư c v i ñ
chính xác kho ng c 1% vịng pha trư c đư ng vài mm.
Bi u th c xác ñ nh ñ di pha:
λφ = R + c( δ t -

σ T) - λ N + σatm + σ

(1.2)

Trong đó:
R=

(Xs – Xr)2 + (Ys – Yr)2 + (Zs – Zr)2

- R là kho ng cách ñúng t v tinh ñ n máy thu,
- Xs, Ys, Zs là t a đ khơng gian 3 chi u c a v tinh,
-

- Xr , Yr , Zr là t a đ khơng gian 3 chi u c a v trí anten máy thu,
- c là t c ñ truy n sóng (t c đ ánh sáng),
- δ t là đ l ch ñ ng h máy thu,

- σ T là ñ l ch ñ ng h v tinh,
- λ là bư c sóng c a sóng t i,
- N là s nguyên l n bư c sóng t v tinh ñ n anten máy thu,
- σatm là sai s do khí quy n,
- σ là t h p các sai s khác.
Gi i pháp này cho k t qu ñ nh v chính xác hơn gi i pháp ch dùng tr đo

Code. Khó khăn chính là xác đ nh s nguyên l n bư c sóng gi a anten máy thu và
v tinh (s nguyên ña tr N). M t khi máy thu b t đư c tín hi u c a m t v tinh nào
đó nó s đ m s bư c sóng trơi qua sau th i ñi m ñó. Do v y ñi u c n thi t duy
nh t là tính đư c s đa tr nguyên ban ñ u.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

11


Tuy nhiên n u vi c thu tín hi u v tinh b giám ño n - s c trư t chu kỳ
(Cycle slip) x y ra, s nguyên ña tr b thay ñ i, c n ph i xác ñ nh l i.
S trư t chu kỳ phát sinh do v t c n, do tín hi u y u, anten di ñ ng nhanh
ho c tác ñ ng m nh c a t ng ion.
S trư t chu kỳ ph i ñư c lo i tr ñ xác đ nh s ngun l n bư c sóng tín
hi u GPS trong bi u th c (1.2)
V tinh
S nguyên l n bư c sóng
Máy thu
Ph n l bư c sóng đo
Hình 1.9. Tr đo pha và s ngun đa tr
ð xác ñ nh s nguyên l n bư c sóng có nhi u phương pháp :
1. Phương pháp hình h c d a trên s thay đ i hình h c v tinh trong khi ño

ñ gi i s ngun l n bư c sóng đ ng th i v i t a ñ anten,
2. So sánh (k t h p) tr ño pha và tr ño code,
3. Tr ño d i r ng (hi u t n s L1 và L2) cho bư c sóng 86,2cm đ xác ñ nh
s nguyên ña tr nhưng kém chính xác hơn,
4. S d ng sai phân b c 3,
5. Phương phám hàm s Ambiguity và k thu t OTF (On The Fly) xác ñ nh
nhanh s ña tr trong khi anten di đ ng ngay sau khi b m t tín hi u v
tinh. Phương pháp này ñư c áp d ng v i máy 2 t n sô.
1.1.4 Nguyên lý ñ nh v GPS
ð nh v là vi c xác ñ nh v trí ñi m c n ño (V trí tâm pha c a anten). Tùy
thu c vào đ c ñi m c th c a vi c xác ñ nh t a ñ ngư i ta chia thành 2 lo i hình
đ nh v cơ b n đó là : ð nh v tuy t ñ i và ñ nh v tương ñ i.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

12


1.1.4.1. ð nh v tuy t ñ i (Point Positioning)
Là k thu t xác ñ nh t a ñ c a đi m đ t máy thu tín hi u v tinh trong h
t a đ tồn c u WGS-84 s d ng nguyên lý ñ nh v tuy t ñ i. Do nhi u ngu n sai
s nên ñ chính xác v trí đi m th p (c 10m), ch y u cho vi c d n ñư ng, và các
m c đích đo đ c có u c u đ chính xác khơng cao. ð i v i phương pháp này ch
s d ng 1 máy thu tín hi u v tinh.
Khi ñ t máy

ñi m b t kỳ thu tín hi u t các v tinh, kho ng cách tương

ng t máy thu ñ n các v tinh ñư c xác ñ nh và t a ñ c a ñi m ño ñư c xác ñ nh.
ðây là bài tốn giao h i ngh ch khơng gian khi bi t t a ñ c a các v tinh và

kho ng cách tương ng ñ n máy thu (Hình 1.10)

Hình 1.10. Sơ đ đ nh v GPS tuy t đ i
V m t hình h c có th mơ t s đ nh v t i m t th i đi m như sau :
- N u có 1 v tinh thì đi m c n đo s n m trên m t c u có tâm là v trí v
tinh, có bán kính b ng kho ng cách ño ñư c t v tinh ñ n máy thu ;
- N u có 2 v tinh thì đi m ño cũng n m trên m t c u th 2 có tâm là v tinh
th 2, có bán kính là kho ng cách t v tinh th 2 ñ n máy thu. K t h p tr ño đ n 2
v tinh thì v trí c a đi m ño s n m trên giao c a 2 m t c u trong đó khơng gian đó
là 1 đư ng trịn ;

Trư ng ð i h c Nơng nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

13


- Khi có v tinh th 3 thì cũng như trên, v trí c a đi m đo s là giao c a m t
c u th 3 và ñư ng tròn nêu trên – k t qu cho ta 2 nghi m s là 2 v trí trong
khơng gian;
- N u có v tinh th 4 thì k t qu t ng h p s cho 1 nghi m duy nh t đó
chính là v trí đi m đo trong khơng gian.
Như v y ít nh t c n thu tín hi u 4 v tinh đ xác đ nh t a đ đi m đo trong
khơng gian 3 chi u. Bi u th c toán h c c a vi c ñ nh v như sau :
D=

(Xs –Xr)2+(Ys-Yr)2+(Zs-Zr)2 + c( δ t -

σ T) + σatm + σ

(1.3)

Trong ñó:
- D là kho ng ño ñư c t v tinh ñ n máy thu,
- Xs, Ys, Zs là t a đ khơng gian 3 chi u c a v tinh,
- Xr , Yr , Zr là t a ñ khơng gian 3 chi u c a v trí anten máy thu,
- c là t c đ truy n sóng (t c ñ ánh sáng),
- δ t là ñ l ch ñ ng h máy thu,
- σ T là ñ l ch ñ ng h v tinh,
-σ atm là sai s do khí quy n,
- σ là t h p các sai s khác.
V i 1 v tinh có th thành l p đư c 1 phương trình ki u (1.3) v i 3 n s Xr ,
Yr , Zr là t a ñ ñi m c n ño và n s th 4 là ñ l ch tương ñ i ñ ng h v tinh và
ñ ng h máy thu ( δ t -

σ T) thì t i m i đi m đo c n thu tín hi u ít nh t 4 v tinh

kh e thì t a ñ ñi m ño m i xác ñ nh ñư c. Khi s v tinh thu đư c tín hi u l n hơn
4 và s l n thu tín hi u l n hơn 1 l n thì v trí đi m đo đư c gi i theo phương pháp
s bình phương nh nh t.
1.1.4.2. ð nh v tương ñ i (Relative Positioning)
Th c ch t c a phương pháp ño là xác ñ nh hi u t a ñ không gian c a 2
ñi m ño ñ ng th i ñ t trên 2 ñ u c a kho ng cách c n ño (Baseline) s

d ng

nguyên lý ñ nh v tương ñ i. S khác bi t c a phương pháp ñ nh v này là

ch

ph i s d ng t i thi u 2 máy thu tín hi u v tinh đ ng th i và k t qu c a phương

pháp là các thành ph n s gia t a ñ ∆ X, ∆ Y, ∆ Z (ho c ∆ B, ∆ L, ∆ H) c a 2 ñi m

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

14


trong h t a đ khơng gian. ð chính xác ñ nh v tương ñ i ñ t c cm và ch y u áp
d ng trong l p lư i kh ng ch trác ñ a.
Vi c ñ nh v tương ñ i s d ng tr ño pha sóng t i đ đ t đư c đ chính xác
cao trong ñ nh v tương ñ i ngư i ta l y hi u tr ño tr c ti p ñ t o thành tr ño m i
(các sai phân) ñ lo i tr ho c gi m b t các sai s .
- Sai phân b c m t
Ký hi u pha sóng t i đo đư c t v tinh j t i ñi m r vào th i đi m ti là φ jr(ti).
Khi đó, n u xét 2 tr m 1 và 2 thu tín hi u ñ ng th i v tinh j vào th i đi m ti thì
hi u s :
1

j

j

∆ φ (ti) = φ 2(ti) - φ 1(ti)

(1.4)

G i là sai phân b c m t ñ i v i v tinh j vào th i đi m ti.

Hình 1.11 . Sơ đ mơ t sai phân b c m t
Tr ño này lo i tr ñư c sai s ñ ng h v tinh b i giá tr này là như nhau.

Tr sai phân đơn có th là hi u s tr ño c a 1 máy thu v i 2 v tinh ; tr ño này lo i
tr sai s ñ ng h máy thu.
- Sai phân b c hai
N u l y hi u s 2 sai phân b c m t (2 tr m thu tín hi u 2 v tinh j, k ñ ng
th i) :

∆2Φ j,k(ti)= ∆1Φ k(ti)- ∆1Φ j(ti)

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

(1.5)

15


thì (1.5) g i là sai phân b c hai vào th i ñi m ti. ðây là tr ño chu n trong đó GPS
tương đ i. V i tr ño này sai s v trí v tinh, sai s ñ ng h máy thu, ñ ng h v
tinh ñư c lo i tr .

Hình 1.12. Sơ đ mơ t sai phân b c hai
- Sai phân b c ba:
N u xét hai tr m ti n hành thu tín hi u v tinh j, k vào th i ñi m ti và ti+1 thì
hi u sai phân b c hai:

∆3Φ j,k(ti)= ∆2Φ j,k(ti+1)- ∆2Φ j,k(ti)

(1.6)

Thì (1.6) g i là sai phân b c ba. Tr đo này khơng ph thu c vào s nguyên l n
bư c sóng, do v y ñư c tr ño ng d ng ñ x lý s trư t chu kỳ.

Vi c x lý các tr ño sai phân cho phép xác ñ nh các giá tr thành ph n c a
véc tơ không gian n i 2 ñi m ñ t máy thu v i đ chính xác cao (c cm). Bài tốn
đ nh v này ñư c áp d ng trong trác ñ a ph c v vi c ño lư i kh ng ch và các cơng
tác đo đ c khác trong h th ng t a ñ ñ a phương b t kỳ.
Do b n ch t c a phương pháp, c n t i thi u 2 máy thu v tinh trong 1 th i
ñi m ño. Ph thu c vào quan h c a các tr m ño trong th i gian ño mà ngư i ta chia
thành các d ng ño tương ñ i sau:
ðo GPS tương ñ i tĩnh (Static)
ðây là phương pháp chính xác nh t s d ng 2 ho c nhi u máy thu đ t c
đ nh thu tín hi u GPS t i các ñi m c n ño t a ñ trong cùng m t th i ñi m v i
kho ng th i gian thông thư ng t 1 gi tr lên, đ chính xác c mm.

Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c s khoa h c Nông nghi p ………………………

16