Nghiên cứu một số giải pháp truyền số cải chính trong đo đạc địa chính sử dụng công nghệ đo động thời gian thực tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Lâm Đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------***--------

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN
SỐ CẢI CHÍNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH SỬ DỤNG
CƠNG NGHỆ ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TẠI KHU VỰC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ TỈNH LÂM ĐỒNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
�
�
�
�
�

�

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

�

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------***--------

HOÀNG ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN
SỐ CẢI CHÍNH TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH SỬ DỤNG
CƠNG NGHỆ ĐO ĐỘNG THỜI GIAN THỰC TẠI KHU VỰC
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ TỈNH LÂM ĐỒNG

Chuyên ngành: Quản lý đất đai
Mã số: 60850103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
�
�
�

Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN QUỐC BÌNH

�

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

HỒNG ANH TUẤN

i


LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ vô cùng to lớn của quý thầy cô, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
- Quý Thầy cô khoa Địa lý, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên – Đại học
Quốc gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và thực
hiện đề tài.
- PGS.TS. Trần Quốc Bình đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong q
trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.
- Phòng Quản lý Đào tạo Sau Đại học đã tạo điều kiện tốt cho tơi trong suốt
khóa học và thời gian thực hiện đề tài.
- Đặc biệt gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã góp ý, khuyến khích động
viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi nghiên cứu và thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

HOÀNG ANH TUẤN

ii


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong khơng gian. .................................................. 5
Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động, điều khiển của hệ thống GPS. ....................................... 6
Hình 1.3: Các trạm điều khiển. ................................................................................ 7
Hình 1.4: Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS. ............................ 10

Hình 1.5: Đo pha sóng tải. ..................................................................................... 11
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý định vị tuyệt đối........................................................... 13
Hình 1.7: Sơ đồ xác định tọa độ một điểm từ 3 vệ tinh. ......................................... 14
Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý định vị tương đối. ........................................................ 16
Hình 1.9: Sơ đồ mơ tả sai phân bậc một................................................................. 16
Hình 1.10: Sơ đồ mơ tả sai phân bậc hai. ............................................................... 17
Hình 1.11: Các thành phần của độ lệch quỹ đạo vệ tinh. ........................................ 18
Hình 1.12: Tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly và các lớp khí quyển. .................... 19
Hình 1.13: Ảnh hưởng của hiện tượng đa đường truyền. ....................................... 20
Hình 1.14: Đo RTK sử dụng radio phát số cải chính. ............................................. 25
Hình 1.15: Lựa chọn điểm đăt máy base. ............................................................... 26
Hình 1.16: Sơ đồ xác định góc ngưỡng .................................................................. 27
Hình 2.1: Sơ đồ lặp radio ....................................................................................... 36
Hình 2.2: Sơ đồ bố trí các trạm lặp radio ............................................................... 37
Hình 2.3: Bộ máy Trimble R4 với bộ điều khiển TSC3. ........................................ 38
Hình 2.4: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển TSC2.............................................. 39
Hình 2.5: Màn hình với các chức năng chính cho đo đạc ngồi thực địa. ............... 39
Hình 2.6: Kết nối qua điện thoại di động khi đo RTK. ......................................... 42

iii


Hình 2.7: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển CS10. ............................................. 43
Hình 2.8: Màn hình đo RTK. ................................................................................. 44
Hình 2.9: Sơ đồ hoạt động của hệ thống truyền dữ liệu GPS bằng internet. ........... 46
Hình 2.10: Sơ đồ hoạt động với một trạm cố định.................................................. 47
Hình 2.11: Sơ đồ truyền dữ liệu bằng internet........................................................ 47
Hình 2.12: Bộ máy GPS V30 và bộ điều khiển Qmini ........................................... 48
Hình 2.13: Màn hình cơ bản của bộ điều khiển Qmini. .......................................... 49
Hình 2.14: Màn hình nhập địa chỉ IP và góc ngưỡng. ............................................ 50

Hình 3.1: Kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè năm 2014.................................................. 52
Hình 3.2: Địa giới hành chính xã Ninh Gia ............................................................ 53
Hình 3.3: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc –Thị Nghè. .......................... 55
Hình 3.4: Biểu đồ kết quả 3 phương án thử nghiệm ............................................... 59
Hình 3.5: Sơ đồ lưới thử nghiệm tại Ninh Gia. ...................................................... 61
Hình 3.6: Biểu đồ kết quả 2 phương án thử nghiệm ............................................... 65

iv


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng thông số cài đặt trạm lặp radio. ..................................................... 36
Bảng 3.1: Tọa độ lưới thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè ........................ 56
Bảng 3.2: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng lặp sóng radio để truyền số cải chính ...... 57
Bảng 3.3: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính .... 58
Bảng 3.4: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính ................ 58
Bảng 3.5: Tọa độ điểm thử nghiệm tại xã Ninh Gia .............................................. 62
Bảng 3.6: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng điện thoại di động truyền số cải chính .... 63
Bảng 3.7: Tọa độ điểm đo RTK sử dụng internet để truyền số cải chính ................ 64
Bảng 3.8: Bảng so sánh ba giải pháp truyền số cải chính ....................................... 69

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Base (Base): Trạm cố định.
2. CMR (Compact Measurement Record): Chuẩn được thiết kế bởi Trimble.
3. DOP (Dillution Of Precision): Chỉ số suy giảm độ chính xác.
4. GNSS (Global Navigation Satellite System): Các hệ thống định vị vệ tinh.

5. GPS (Global Positioning System): Hệ thống định vị vệ tinh của Mỹ.
6. GLONASS (GLobal Orbiting Navigation Satellite System): Hệ thống định vị vệ
tinh của Nga.
7. GIS (Geomatic Information System): Hệ thống thông tin địa lý
8. GSM (Global System For Mobile Communication): Hệ thống truyền thông di
động tồn cầu.
9. GPRS (General Packet Radio Service): Mạng thơng tin di động thế hệ 2,5G.
10. HDOP (Horizontal Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về mặt
phẳng.
11. IP (Internet Protocol): Giao thức Internet.
12. KB (KiloByte): Đơn vị thông tin
13. NAVSTAR-GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging-Global Positioning
System): Hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai.
14. NTS - 2 (Navigation Technology Sattellite 2): Vệ tinh thử nghiệm.
15. OTF (On The Fly): Kỹ thuật khởi đo.
16. PDOP (Positional Delution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về vị trí.
17. RTK (Real Time Kinematic): Đo động thời gian thực.
18. Rover (Rover): Trạm di chuyển hoặc máy di chuyển
19. RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services): Chuẩn được thiết
kế bởi hiệp hội radio.

vi


20. TDOP (Time Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về thời gian
21. VDOP (Vertical Dilution of Precision): Chỉ số phân tán độ chính xác về cao độ.
22. QC (Quality of Coordinates): Độ chính xác tọa độ điểm đo.
23. WGS-84 (World Geodetic System 1984): Hệ tọa độ WGS-84.

vii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ........................................................................................................... i
Lời cảm ơn .............................................................................................................ii
Danh mục hình ......................................................................................................iii
Danh mục bảng ....................................................................................................... v
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG THỜI GIAN
THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH ............................................................... 4
1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS ..................................... 4
1.1.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................ 4
1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS.................................................................................... 6
1.1.3 Các trị đo GPS ................................................................................................ 9
1.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS. ....................................................... 13
1.1.5 Các nguồn sai số trong đo GPS ..................................................................... 17
1.1.6 Các kỹ thuật đo pha GPS .............................................................................. 22
1.2 Công nghệ đo động thời gian thực ................................................................ 24
1.2.1 Cài đặt trạm base .......................................................................................... 25
1.2.2 Cài đặt máy rover ......................................................................................... 26
1.2.3 Khởi đo RTK ................................................................................................ 28
1.2.4 Truyền tín hiệu giữa máy base và rover ........................................................ 29
1.2.5 Các chế độ đo RTK....................................................................................... 30
1.2.6 Độ chính xác đo đạc RTK ............................................................................. 31
1.3 Tình hình ứng dụng RTK trong đo đạc địa chính ....................................... 31
1.4. Một số vấn đề cần khắc phục trong đo đạc địa chính bằng RTK ............... 34


CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN SỐ CẢI CHÍNH

TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH BẰNG CƠNG NGHỆ RTK ........................... 35
2.1 Giải pháp sử dụng thiết bị lặp sóng radio .................................................... 35
2.1.1 Ý tưởng công nghệ ....................................................................................... 35
2.1.2 Sơ đồ và qui trình triển khai .......................................................................... 36
2.2 Giải pháp sử dụng Điện thoại di động .......................................................... 42
2.2.1 Ý tưởng cơng nghệ ....................................................................................... 42
2.2.2 Sơ đồ và qui trình triển khai .......................................................................... 42
2.3 Giải pháp sử dụng Internet ........................................................................... 45
2.3.1 Ý tưởng công nghệ ....................................................................................... 45
2.3.2 Sơ đồ và qui trình triển khai .......................................................................... 45
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG
DỤNG CỦA CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN SỐ CẢI CHÍNH ............................. 52
3.1 Khái quát về các khu vực thử nghiệm ...................................................... 52
3.1.1. Khu thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Thành phố Hồ Chí Minh . 52
3.1.2 Khu thử nghiệm tạ xã Ninh Gia, huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng ............. 53
3.2 Kết quả thử nghiệm ....................................................................................... 55
3.2.1 Kết quả thử nghiệm tại kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè ..................................... 55
3.2.2 Kết quả thử nghiệm tại khu đo xã Ninh Gia .................................................. 60
3.3 Phân tích kết quả thử nghiệm và đánh giá khả năng ứng dụng. ................ 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 73


MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Những năm gần đây, việc thành lập bản đồ điạ chính tỷ lệ lớn bằng công
nghệ đo động thời gian thực RTK, một ứng dụng của hệ thống định vị toàn cầu GPS,
đã trở lên phổ biến bởi các tính ưu việt như: có thể xác định tọa độ của các điểm từ
các điểm gốc mà không cần thông hướng, việc đo đạc nhanh, ít phụ thuộc vào điều

kiện thời tiết, cho kết quả ngay ngồi thực địa, có thể tính trong hệ tọa độ toàn cầu
hoặc hệ tọa độ địa phương và được ghi dưới dạng file số nên dễ dàng nhập vào các
phần mềm đo vẽ bản đồ hoặc các hệ thống cơ sở dữ liệu. Ngoài ra, khi lập bản đồ
bằng công nghệ RTK, người đo dễ dàng kiểm sốt được chất lượng đo đạc ngồi
thực địa.
RTK là một cơng nghệ đo đạc bản đồ mới, có độ chính xác cao đạt tới một
vài cm. Để có được điều này trước khi tiến hành đo đạc ngoài thực địa, người ta
phải xem xét tính tốn đến các yếu tố như: loại máy thu, các nguồn sai số và biện
pháp khắc phục, và một yếu tố có thể coi là chìa khóa thành cơng khi đo RTK là
phương án truyền số cải chính RTK từ trạm base đến các máy rover.
Hiện nay, tại Việt Nam việc truyền số cải chính RTK thường sử dụng bộ phát
sóng radio. Sử dụng radio có ưu điểm là tính ổn định cao, chi phí thấp nhưng hạn chế
lớn nhất của nó là phạm vi hoạt động hạn chế, và chỉ có thể hoạt động tốt ở những khu
vực có địa hình đơn giản hoặc những nơi có độ dốc địa hình thấp, khoảng 3 – 5%. Do
vậy, để khắc phục các nhược điểm này và làm tăng hiệu quả đo RTK, việc nghiên cứu
các giải pháp khác truyền số cải chính RTK là rất cần thiết, làm cơ sở khoa học triển
khai ứng dụng ở những khu vực, địa hình khác nhau của nước ta.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính nhằm nâng cao hiệu quả đo
RTK trên cơ sở phân tích kết quả thử nghiệm tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh
và tỉnh Lâm Đồng.

1


- Đánh giá khả năng ứng dụng trong sản xuất thực tế của một số giải pháp
truyền số cải chính RTK.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ GPS, công nghệ RTK, các giải pháp

truyền truyền dữ liệu qua radio, điện thoại, internet.
- Đề xuất lựa chọn một số giải pháp truyền số cải chính RTK nhằm nâng cao
hiệu quả đo đạc địa chính bằng cơng nghệ RTK: Giải pháp lặp radio, giải pháp sử
dụng điện thoại di động và giải pháp sử dụng internet.
- Đánh giá phạm vi, địa bàn áp dụng và hiệu quả kinh tế của các giải pháp
nêu trên.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: sử dụng để tìm ra quy luật của các hiện tượng.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp tài liệu: tìm hiểu cơ sở khoa học về
công nghệ GPS, RTK, truyền data,... Nghiên cứu tham khảo kế thừa kết quả của các
nghiên cứu liên quan đến đo GPS nói chung và RTK nói riêng
- Phương pháp so sánh: so sánh kết quả đo RTK bằng các giải pháp truyền số
cải chính khác nhau với kết quả đo bằng các phương pháp khác để đánh giá độ
chính xác kết quả thử nghiệm.
- Phương pháp chuyên gia: tham khảo kinh nghiệm thực tiễn của các chuyên
gia nghiên cứu trong lĩnh vực GPS.
- Phương pháp trắc địa vệ tinh: cung cấp dữ liệu về toạ độ, vị trí các đối
tượng với độ chính xác cao.
5. Kết quả đạt được
Đưa ra một số giải pháp truyền số cải chính RTK để nâng cao hiệu quả đo
đạc địa chính bằng công nghệ RTK. Đồng thời đánh giá được phạm vi, địa điểm áp
dụng và hiệu quả kinh tế của từng giải pháp.
6. Ý nghĩa của đề tài

2


- Các kết quả của đề tài là sở khoa học giúp cho các đơn vị sản xuất lựa chọn
phương án truyền số cải chính RTK khi đo đạc lập bản đồ bằng cơng nghệ RTK.
- Góp phần nâng cao và hồn thiện trong cơng tác đo đạc lập bản đồ bằng

cơng nghệ RTK
7. Cấu trúc của luận văn
Ngồi phần mở đầu và kết luận, luận văn được cấu trúc gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ đo GPS động thời gian thực trong đo
đạc địa chính.
Chương 2: Đề xuất một số giải pháp truyền số cải chính trong đo đạc địa
chính bằng RTK.
Chương 3: Thử nghiệm thực tế và đánh giá khả năng ứng của các giải pháp
truyền số cải chính.

3


Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO GPS ĐỘNG
THỜI GIAN THỰC TRONG ĐO ĐẠC ĐỊA CHÍNH

1.1 Khái quát về hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GPS
1.1.1 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 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 từ 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 TRANSIT cần thời gian quan trắc rất lâu mà độ chính xác chỉ
đạt cỡ 1m. Do vậy, trong trắc địa TRANSIT chỉ phù hợp với công tác xây dựng các
mạng lưới khống chế cạnh dài. Nó khơng thoả mãn được các ứng dụng đo đạc

thông dụng như đo đạc bản đồ, các cơng trình dân dụng.
Tiếp sau thành cơng của hệ TRANSIT, hệ thống định vị vệ tinh thế hệ thứ hai
ra đời có tên là NAVSTAR - GPS gọi tắt là GPS. Hệ thống này bao gồm khoảng 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 rõ rệt 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, giai đoạn thử nghiệm vận
hành hệ thống GPS bắt đầu với việc phóng vệ tinh GPS mẫu "Block I". Từ năm
1978 ÷ 1985 có 11 vệ tinh Block I đã được 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

4


(Block II) bắt đầu vào năm 1989. Sau giai đoạn này, 24 vệ tinh này đã được triển
khai trên 6 quĩ đạo nghiêng 550 so với mặt phẳng xích đạo Trái đất với chu kỳ quỹ
đạo 11h58' (tức là một nữa ngày đêm sao) ở độ cao xấp xỉ 20.200 km. Loại vệ tinh
bổ sung thế hệ III (Block IIR) được thiết kế thay thế những vệ tinh Block II bắt đầu
được phóng vào năm 1995. Cho đến nay, đang có 32 vệ tinh của hệ thống GPS hoạt
động trên quỹ đạo [2].
Cùng có tính năng tương tự với hệ thống GPS đang hoạt động 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. Hiện nay,
người ta thường gọi các hệ thống trên là hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu GNSS.
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 đã lập xong lưới khống chế ở những vùng đặc biệt khó khăn mà từ trước đến
nay chưa có như Tây Ngun, thượng nguồn Sơng Bé, Cà Mau. Những năm sau đó,
cơng nghệ GPS đã đóng vai trò quyết định trong việc đo lưới cấp "0", thành lập hệ
quy chiếu Quốc gia VN-2000 cũng như việc lập lưới khống chế hạng III phủ trùm lãnh

thổ (gần 30.000 điểm) và nhiều lưới khống chế cho các công trình dân dụng khác [3].

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vệ tinh trong không gian.

5


1.1.2 Cấu trúc hệ thống GPS
GPS là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, song theo sự phân bố không gian
người ta chia hệ thống GPS làm 3 phần:
- Phần điều khiển.
- Phần khơng gian.
- Phần người sử dụng.

Hình 1.2: Sơ đồ hoạt động, điều khiển của hệ thống GPS.
1.1.2.1 Phần điều khiển).
Phần điều khiển bao gồm các thiết bị điều khiển vệ tinh, theo dõi trạng thái
(sức khỏe) vệ tinh, theo dõi quỹ đạo vệ tinh, tính tốn lịch vệ tinh, tải dữ liệu này
lên vệ tinh. Phần điều khiển gồm 4 trạm mặt đất nằm ở: Diego Garcia, Ascension,
Kwajalein và Hawaii. Cả 4 trạm đều là các trạm theo dõi có nhiệm vụ theo dõi trạng
thái hoạt động và quỹ đạo vệ tinh, chuyển các thông tin thu thập được về trạm điều
khiển chính nằm ở Colorado Spring [1].
Trạm điều khiển chính có nhiệm vụ xử lý số liệu thu được từ các trạm khác
để tính tốn lịch vệ tinh và các số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh. Đây cũng là trạm ra
lệnh điều khiển toàn hệ thống.

6


Hình 1.3: Các trạm điều khiển.

Từ tháng 8 năm 2005, 6 trạm điều khiển của cơ quan tình báo địa không gian
Mỹ đã được thêm vào phần điều khiển của GPS nâng tổng số trạm điều khiển lên
thành 11. Với 11 trạm điều khiển, mỗi một vệ tinh luôn luôn có thể được nhìn thấy
từ ít nhất là 2 trạm điều khiển → kết quả xác định vị trí của vệ tinh sẽ được chính
xác hơn. Trong thời gian tới, sẽ có thêm 5 trạm điều khiển nữa của cơ quan này
được bổ sung và khi đó mỗi vệ tinh ln ln có thể được nhìn thấy từ tối thiểu 3
trạm điều khiển [1].
1.1.2.2 Phần khơng gian
a. Chịm vệ tinh GPS:
Bao gồm 24 vệ tinh bay trên quỹ đạo có độ cao đồng nhất 20.200km, chu kỳ
12 giờ, phân phối đều trên 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng với xích đạo một góc 55o.
Việc bố trí này nhằm mục đích để tại mỗi thời điểm và mỗi vị trí trên Trái đất đều
có thể quan sát được ít nhất 4 vệ tinh. Mỗi vệ tinh phát 2 tần số sóng mang với tần
số cao L1 = 1575,42MHz và L2 = 1227,60MHz. Loại sóng này phát trên cơ sở điều
biến bởi dãy số tựa ngẫu nhiên bao gồm các số 0 và 1. Mã này được gọi tên là mã P
(Precise). Bên cạnh mã P, sóng cịn mang đi mã C/A (Clear/Acquisition) trong sóng
L1. Mã P và C/A được phát với tần số tương ứng 10,23MHz và 1,023MHz. Ngoài 2
mã trên, vệ tinh cịn phát mã phụ có tần số 50Hz chứa các thông tin về lịch vệ tinh.
Các vệ tinh đều được trang bị đồng hồ nguyên tử với độ chính xác cao.

7


Các vệ tinh NAVSTAR có 2 trạng thái: "hoạt động khỏe" và "hoạt động
không khoẻ". Hai trạng thái của vệ tinh này được xác định bởi các trạm điều khiển
mặt đất. Chúng ta có thể sử dụng tín hiệu của các vệ tinh ở cả hai trạng thái "hoạt
động khỏe" và "hoạt động khơng khỏe".
b. Cấu trúc tín hiệu GPS:
Mỗi vệ tinh đều truyền hai tần số dùng cho công việc định vị là tần số
1575,42MHz và tần số 1227,60MHz. Hai sóng mang này gọi là L1 và L2, được

điều chế bởi những tín hiệu khác nhau. Mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) thứ nhất
được biết dưới cái tên là mã C/A (Coarse/Acquisite-code), bao gồm một chuỗi các
số cộng một và trừ một, được phát đi ở tần số fo/10 = 1,023MHz. Chuỗi này được
lặp lại sau mỗi mini giây đồng hồ. Mã nhiễu giải ngẫu nhiên (PRN) thứ hai, được
biết dưới tên là mã P (Precise-code), bao gồm một chuỗi các số cộng một và trừ một
khác, được phát đi ở tần số fo = 10,23MHz. Chuỗi này chỉ lặp lại sau 267 ngày.
Thời gian 267 ngày này được cắt ra làm 38 đoạn 7 ngày. Trong 38 đoạn này có một
đoạn khơng dùng đến, 5 đoạn dùng cho các trạm mặt đất, theo dõi các tàu thuyền sử
dụng, gọi là trạm giả vệ tinh (Pseudolite), còn lại 32 đoạn 7 ngày dành cho những
vệ tinh khác nhau. Mã Y (Y-code) là mã PRN tương tự như mã P, có thể dùng thay
cho mã P. Tuy nhiên, phương trình tạo ra mã P thì được cơng bố rộng rãi và khơng
giữ bí mật, trong khi phương trình tạo ra mã Y thì giữ bí mật. Vì vậy, nếu mã Y
được sử dụng thì những người sử dụng GPS khơng có giấy phép (nói chung là
những người khơng thuộc qn đội Mỹ và đồng minh của họ) sẽ không thu được mã
P (hoặc mã Y).
Sóng mang L1 được điều chế bằng cả 2 mã (mã C/A và mã P hoặc mã Y),
trong khi sóng mang L2 chỉ bao gồm một mã P hoặc mã Y. Cả hai sóng mang đều
mang thông báo vệ tinh (Satellite message) cần phát dưới dạng một dòng dữ liệu
được thiết kế ở tần số thấp (50Hz) để thơng báo tới người sử dụng tình trạng và vị
trí của vệ tinh. Các dữ liệu này sẽ được các máy thu giải mã và dùng vào việc xác
định vị trí của máy theo thời gian thực [5].
1.1.2.3 Phần người sử dụng

8


Đoạn người sử dụng bao gồm các máy thu tín hiệu vệ tinh và phần mềm xử
lý tính tốn số liệu. Máy thu tín hiệu GPS có thể đặt cố định trên mặt đất hay gắn
trên các phương tiện chuyển động như: xe đạp, ô tô, máy bay, tàu biển, tên lửa, vệ
tinh nhân tạo,...

Tín hiệu vệ tinh được thu qua anten máy thu. Cấu tạo anten đẳng hướng của
máy thu GPS có thể bắt tín hiệu GPS ở mọi hướng. 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. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ
chính xác và giá tiền. Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:
- Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên tần số L1.
- Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu tín hiệu trên hai tần số L1, L2.
Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:
- Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được
dùng trong trắc địa. Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn. Ví dụ
như: Trimble 4800, 5700, 5800, R4, R5, R10, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series,
Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system GS08, 10, 14,…
- Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn
giản dễ mang vác và dễ sử dụng, dùng cho thu thập dữ liệu phục vụ xây dựng bản
đồ tỷ lệ trung bình và dữ liệu cho các hệ thống GIS. Ví dụ như: Trimble GeoExplorer XT, Ashtech Reliance.
- Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ
nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường được dùng cho các mục
đích định vị hàng hải, du lịch,… Ví dụ như: Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan.
1.1.3 Các trị đo GPS
Trị đo GPS là những số liệu mà máy thu GPS nhận được từ tín hiệu của vệ
tinh truyền tới. Có 2 nhóm trị đo, bao gồm:
+ Nhóm trị đo Code:

9


- 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
từ máy thu đến từng vệ tinh.
1.1.3.1 Trị đo Code (C/A Code và P.Code)
Trong trường hợp này, máy thu nhận mã được phát đi từ vệ tinh, so sánh với
tín hiệu tương tự mà máy thu tạo ra nhằm xác định được thời gian tín hiệu truyền từ
vệ tinh tới máy thu và từ đó, khoảng cách D từ máy thu đến các vệ tinh được xác
định bằng công thức [2]:

D = c x t + c x dt + d

(1.1)

Trong đó:
- c: vận tốc lan truyền sóng (ánh sáng) = 299,792,458 m/s.
- t: thời gian truyền tín hiệu.
- dt: lượng hiệu chỉnh do sự khơng đồng bộ đồng hồ máy thu và vệ tinh.
- d: lượng hiệu chỉnh do mơi trường truyền tín hiệu.
Việc xác định thời gian truyền tín hiệu theo trị đo code được mơ tả như hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ cơ chế xác định thời gian truyền tín hiệu GPS.

10


Độ chính xác định vị với trị đo code có thể đạt khoảng 10 - 30m. Như vậy, các
trị đo này có thể sử dụng trong việc dẫn đường, đo đạc những đối tượng yêu cầu độ

chính xác thấp.
1.1.3.2 Trị đo pha sóng tải (phase observable)
Trị đo pha song tải chính là phần lẻ của bước sóng bằng cách đo độ di pha
(độ lệch pha) giữa sóng tải thu được và sóng tải do máy thu tạo ra.

Hình 1.5: Đo pha sóng tải.
Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy
thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số).
Chúng ta có cơng thức [2]:
S= Nxl+jxl

(1.2)

Trong đó:
- l: bước sóng (l = c/f).
- f: tần số sóng.
- N: số nguyên lần bước sóng.
- j: pha của sóng.
- S: khoảng cách vệ tinh - máy thu.
j = (f/c) x S – N

(1.3)

Xét cơng thức (1.3) từ một góc độ khác chúng ta có thể viết:
j(t) = fs(ts ) - fp(t) + Nsp
Trong đó:

11

(1.4)

- fs(ts ): pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu.
- fp(t): pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu.
- Nsp: số ngun lần bước sóng.
Từ các công thức trên ta suy ra:
j(t) = fs(t) - (f/c) x Ssp - fp(t) + Nsp

(1.5)

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (1.5) chúng ta biểu diễn
dưới dạng:
j(t) = - (f/c) x Ssp - ap(t) + bs(t) + gsp

(1.6)

Trong đó:
ap(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là
số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu).
b s(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số
hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh).
gsp(t): thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây
ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là fs(to) - fp(to) + Nsp, trong đó to là thời điểm
bắt đầu đo).
Công thức (1.6) là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo
tọa độ tương đối GPS. Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao
cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p [2].
Giải pháp đo pha cho kết quả định vị chính xác hơn giải pháp chỉ dùng trị đo
Code, nhưng cần phải bảo đảm thu tín hiệu vệ tinh trực tiếp, liên tục nhằm xác định
số nguyên lần bước sóng giữa anten máy thu và vệ tinh (hay còn gọi là số nguyên

đa trị N). Khi một máy thu bắt được tín hiệu của một vệ tinh nào đó, nó sẽ đếm số
bước sóng trơi qua sau thời điểm đó. Tuy nhiên nếu việc thu tín hiệu vệ tinh bị gián
đoạn do sự cố trượt chu kỳ (cycle slip) xảy ra, số nguyên đa trị bị thay đổi. Sự trượt
chu kỳ phát sinh do vật cản, do tín hiệu yếu, anten di động nhanh hoặc tác động
mạnh của tầng ion,... Sự trượt chu kỳ phải được loại trừ để xác định số nguyên lần
bước sóng.

12


Để xác định số nguyên đa trị N có nhiều phương pháp [7]:
1. Phương pháp hình học dựa trên sự thay đổi hình học vệ tinh trong khi đo
để giải số nguyên lần bước sóng đồng thời với tọa độ tâm 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 bước sóng 86,2cm để xác định
số nguyên đa trị nhưng kém chính xác hơn.
4. Sử dụng sai phân bậc ba.
5. Phương pháp hàm số ambiguity và kỹ thuật OTF xác định nhanh số đa trị
trong khi anten di động ngay sau khi bị mất tín hiệu vệ tinh. Phương pháp này được
áp dụng với máy thu hai tần số.
1.1.4 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 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, người ta chia thành 2 phương thức định vị cơ bản: định vị
tuyệt đối và định vị tương đối.
1.1.4.1 Định vị tuyệt đối (định vị điểm đơn)
Khác biệt hẳn so với các phương pháp đo đạc truyền thống, việc định vị một
điểm nào đó khơng cần đến các trị đo góc, cạnh thơng thường 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 tương ứng từ máy thu đến các vệ tinh được xác định và toạ độ của
điểm đo được xác định trong hệ toạ độ GPS. Nguyên lý định vị điểm đặt anten máy

thu được mô tả như trên hình 1.6.

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý định vị tuyệt đối.

13


Đây là bài tốn giao hội cạnh trong khơng gian khi biết toạ độ của các vệ tinh
và khoảng cách tương ứng đến máy thu. Về mặt hình học, có thể mô tả phép định vị
tại một thời điểm như sau [1]:
- 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 được từ vệ tinh đó 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 tuyến của của 2 mặt cầu trong khơng
gian - đó là 1 đường trịn.
- Khi có vệ tinh thứ 3 thì cũng như trên, vị trí của điểm đo sẽ là giao của mặt
cầu thứ 3 và đường tròn nêu trên. Kết quả cho ta 2 nghiệm số là 2 vị trí trong khơng
gian.

Hình 1.7: Sơ đồ xác định tọa độ một điểm từ 3 vệ tinh.
- 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 khơng gian.
Như vậy ít nhất cần thu tín hiệu 4 vệ tinh để xác định toạ độ điểm đo trong
khơng gian 3 chiều. Biểu thức tốn học của việc định vị như sau:
D=

(Xs - Xr)2+ (Ys - Yr)2 + (Zs - Zr)2 + c( � t - � T) + � atm + �

Trong đó:

- D: khoảng đo được từ vệ tinh đến máy thu.

14

(1.7)